太陽(yáng)氣象預(yù)報(bào)

孫文德

在美國(guó)科羅拉多州空間環(huán)境服務(wù)中心的一座大樓里，深藏著一些毫不引人注意的衛(wèi)星天線。進(jìn)進(jìn)出出的技術(shù)人員中有不少人穿著美國(guó)空軍的服裝，日夜不停地接收著“天氣”預(yù)報(bào)。只不過(guò)，他們是從事太陽(yáng)天氣預(yù)報(bào)的太陽(yáng)觀測(cè)師，對(duì)科羅拉多州絢麗多彩的天氣不感興趣，卻整天目不轉(zhuǎn)睛地盯著一臺(tái)臺(tái)計(jì)算太陽(yáng)上天氣變化的計(jì)算機(jī)監(jiān)視器，不停地審視著從美國(guó)、歐洲、日本的政府和軍方1400個(gè)研究太陽(yáng)氣象的數(shù)據(jù)提供單位源源不斷發(fā)來(lái)的重要信息。它們探測(cè)的是來(lái)自太陽(yáng)的電磁風(fēng)暴。宇航員和飛機(jī)上的乘客受這些強(qiáng)烈電磁波的輻射，健康就會(huì)受到損害。這些電磁風(fēng)暴也會(huì)影響旅客通話的手機(jī)和飛行中的人造衛(wèi)星，甚至有可能摧毀變壓器和電力網(wǎng)。

因此，來(lái)自每個(gè)重要的人造衛(wèi)星、射電望遠(yuǎn)鏡或太陽(yáng)觀測(cè)站的數(shù)據(jù)，對(duì)于空間環(huán)境服務(wù)中心的太陽(yáng)氣象預(yù)報(bào)人員來(lái)說(shuō)都是有用的?？臻g環(huán)境服務(wù)中心是美國(guó)國(guó)家海洋及大氣管理署和美國(guó)空軍的前哨站點(diǎn)。它全天24小時(shí)工作，旨在設(shè)法屏蔽或過(guò)濾掉太陽(yáng)輻射中最有害的部分，使太陽(yáng)氣象學(xué)家們能整天安全地注視著他們的“獵物”。太陽(yáng)預(yù)報(bào)員們所追蹤的，有些僅僅是由波形線條組成的從太陽(yáng)蒸發(fā)出來(lái)的叫做太陽(yáng)風(fēng)的帶電粒子流。

當(dāng)然，太陽(yáng)技師們所關(guān)注的是太陽(yáng)整體而不是敘述它的美麗。他們注視著叫做太陽(yáng)黑子的小斑點(diǎn)。與地球上的颶風(fēng)不同，這些斑點(diǎn)區(qū)域沒(méi)有名稱，只有編號(hào)。前不久的一天早晨，技術(shù)人員注視著的是編號(hào)為AR8739和AR8742的兩個(gè)活動(dòng)區(qū)域。太陽(yáng)預(yù)報(bào)者們?yōu)槭裁磳Ｗ⒂谔?yáng)表面的這種“黑痣”呢?因?yàn)樘?yáng)就將到達(dá)其11年活動(dòng)周期的頂峰。太陽(yáng)看上去是在穩(wěn)定地發(fā)光，但每隔11年，它會(huì)像一口沸騰的大鍋一樣，煙氣滾滾，飛沫四濺。

1989年3月，太陽(yáng)一個(gè)活動(dòng)區(qū)域AR5395的爆發(fā)，導(dǎo)致加拿大魁北克省供電中斷達(dá)9小時(shí)之久，使600萬(wàn)人在黑暗中冷得瑟瑟發(fā)抖。那時(shí)正值前次太陽(yáng)活動(dòng)周期的高峰，在美國(guó)和瑞典也都發(fā)生了斷電事件。新澤西州一座核電站的變壓器被徹底破壞，不得不換裝一臺(tái)新的變壓器。

那時(shí)，高級(jí)太陽(yáng)預(yù)報(bào)技師加里·赫克曼是空間環(huán)境服務(wù)中心的管理人員，他正在為預(yù)報(bào)工作臺(tái)配備人員。那時(shí)和現(xiàn)在一樣，預(yù)報(bào)工作臺(tái)就像一個(gè)票據(jù)交換所，什么事情都通過(guò)電話聯(lián)系，白天黑夜都有人守在電話機(jī)旁。從1965年開(kāi)始就干起預(yù)報(bào)太陽(yáng)氣象的赫克曼，當(dāng)時(shí)接到來(lái)自加拿大北極地區(qū)一個(gè)軍官的電話：“太陽(yáng)真的出現(xiàn)了一個(gè)大耀斑。我們正在受到太陽(yáng)風(fēng)暴的襲擊，但確切時(shí)間難以預(yù)測(cè)。”

1989年的太陽(yáng)風(fēng)暴事件使空間環(huán)境服務(wù)中心啟用了對(duì)地靜止環(huán)境監(jiān)測(cè)衛(wèi)星。果然，該衛(wèi)星很快便探測(cè)到自太陽(yáng)涌來(lái)的強(qiáng)烈X射線。更多的耀斑出現(xiàn)了，其中的一個(gè)竟持續(xù)12小時(shí)，這是從未有過(guò)的。“這就如同在一個(gè)地方觀看到了連續(xù)幾個(gè)小時(shí)不斷的閃電，”赫克曼說(shuō)：“許多人試圖了解這次耀斑的出現(xiàn)對(duì)人造衛(wèi)星、信息渠道、導(dǎo)航系統(tǒng)以及其他各方面會(huì)帶來(lái)哪些問(wèn)題。在預(yù)報(bào)中心，我們超負(fù)荷地工作，接待這些訪問(wèn)。這類詢問(wèn)持續(xù)了半個(gè)月之久。與此同時(shí)，空間跟蹤操作人員給所有空間位置出現(xiàn)偏差的人造衛(wèi)星進(jìn)行了重新定位?！边@時(shí)，為了預(yù)防出事，各有關(guān)工業(yè)企業(yè)也做了不少的準(zhǔn)備工作。

由于太陽(yáng)內(nèi)部活動(dòng)的復(fù)雜性，我們又缺乏足夠的信息，太陽(yáng)氣象的預(yù)報(bào)不可能總是像預(yù)報(bào)地球上的天氣那樣準(zhǔn)確?？臻g環(huán)境服務(wù)中心的預(yù)報(bào)人員雖然小心謹(jǐn)慎，但仍漏報(bào)過(guò)較大的事件，也偶爾出現(xiàn)過(guò)錯(cuò)誤的預(yù)報(bào)。

正如太陽(yáng)預(yù)報(bào)工作領(lǐng)導(dǎo)人喬·孔切斯指出的那樣，太陽(yáng)爆發(fā)除了可能導(dǎo)致在兩極區(qū)域出現(xiàn)宏偉壯觀的極光外，在絕大部分時(shí)間里對(duì)地球沒(méi)有直接的影響，但當(dāng)太陽(yáng)活動(dòng)達(dá)到最高潮時(shí)，太陽(yáng)周期性變化的磁場(chǎng)強(qiáng)度達(dá)到峰值。歷史清楚地記載著地球上所發(fā)生的一切災(zāi)害。一個(gè)特殊的太陽(yáng)活動(dòng)區(qū)域會(huì)突然向地球方向噴射出幾千億噸的物質(zhì)和足以導(dǎo)致電力網(wǎng)癱瘓的巨大能量，這種大規(guī)模的太陽(yáng)事件被稱為日冕物質(zhì)拋射。雖然這種可怕的偶發(fā)事件出現(xiàn)的概率不大，但太陽(yáng)耀斑、太陽(yáng)黑子和冕洞都會(huì)將物質(zhì)或能量甚至將兩者同時(shí)向我們拋過(guò)來(lái)。在正常情況下，太陽(yáng)每秒發(fā)射出的能量為4×1023千瓦，其中許多能量是我們的肉眼所看不到的。如果把它們都變成“能看見(jiàn)的”，那么太陽(yáng)的亮度會(huì)比現(xiàn)在亮上100億倍。在活動(dòng)達(dá)到峰值時(shí)，它還要通過(guò)電磁波譜(X射線、電子、質(zhì)子、中子、伽馬光子)增加其能量輸出。例如，在正常情況下，太陽(yáng)風(fēng)的傳播速度為每小時(shí)約160萬(wàn)千米，估計(jì)在2000年太陽(yáng)活動(dòng)最劇烈時(shí)可以達(dá)到上述速度的3倍。

為了盡量減少這場(chǎng)太陽(yáng)風(fēng)暴所造成的影響，科羅拉多州的太陽(yáng)觀測(cè)師和太陽(yáng)氣象預(yù)報(bào)工作者們通過(guò)熱線電話、傳真機(jī)、電子函件和網(wǎng)頁(yè)，與最易在太陽(yáng)風(fēng)暴中遭受損失的單位保持著密切的聯(lián)系。熟練的技術(shù)人員知道，太陽(yáng)磁性活動(dòng)最強(qiáng)的時(shí)間可能要持續(xù)好幾年，但究竟多長(zhǎng)，則不可能像計(jì)算日蝕那樣給出準(zhǔn)確的答案。

雖然對(duì)太陽(yáng)事件的預(yù)報(bào)能力還有種種缺陷，但比之最初的太陽(yáng)黑子尋覓者們來(lái)說(shuō)還是大有進(jìn)步了。公元前800年，中國(guó)人便有了關(guān)于太陽(yáng)黑子的記錄，但限于觀測(cè)設(shè)備，未能對(duì)太陽(yáng)黑子做出精確的研究 。直到歐洲文藝復(fù)興時(shí)期，意大利科學(xué)家伽利略和另三位歐洲人才用望遠(yuǎn)鏡看到了日面上的斑點(diǎn)。但當(dāng)時(shí)對(duì)此仍有爭(zhēng)議，因?yàn)橹惺兰o(jì)的歐洲流行著古希臘哲學(xué)家亞里士多德的觀點(diǎn)——太陽(yáng)是一個(gè)不變的、沒(méi)有任何缺陷的火球。17世紀(jì)初葉與伽利略同時(shí)代的科學(xué)家們更愿意相信太陽(yáng)是沒(méi)有瑕疵的，但太陽(yáng)黑子的真實(shí)存在卻很快被大家接受了。1947年拍攝到的最大的太陽(yáng)黑子的面積達(dá)180億平方千米，足以遮住40個(gè)地球。即使是一般的太陽(yáng)黑子，也與地球上的一個(gè)大陸不相上下。

太陽(yáng)黑子的溫度比它們鄰接的太陽(yáng)表面的溫度約低1800℃，因而顯得暗些。它們的實(shí)際溫度約為4200℃，是太陽(yáng)上面最冷的場(chǎng)所。但是每個(gè)黑子和其他太陽(yáng)現(xiàn)象的關(guān)鍵都是電磁現(xiàn)象，和地球一樣，帶著電自轉(zhuǎn)的太陽(yáng)被包裹在一個(gè)繭狀的環(huán)形磁場(chǎng)內(nèi)。有的磁場(chǎng)圍繞著太陽(yáng)，其他的則存在于太陽(yáng)大氣內(nèi)。在11年的太陽(yáng)活動(dòng)周期內(nèi)，有一個(gè)科學(xué)家們還不能解釋的時(shí)期，此時(shí)一些磁力線將它們自己向外推，穿過(guò)人們可以見(jiàn)到的太陽(yáng)大氣的主要層次——光球?qū)印?/p>

“太陽(yáng)黑子之所以暗黑，是由于磁場(chǎng)抑制了光球深處的熱量通過(guò)對(duì)流向上傳輸而形成的?！笨死赘瘛さ赂＠姿固剡@樣解釋。他是繞太陽(yáng)飛行的太陽(yáng)日光層觀測(cè)器衛(wèi)星的常駐觀測(cè)者，“那些突然出現(xiàn)的磁力線是肉眼看不見(jiàn)的，但它們刺穿和重新進(jìn)入光球?qū)又幨强吹靡?jiàn)的，這是因?yàn)樵谶@些地方，日常的太陽(yáng)活動(dòng)過(guò)程不那么光焰十足?！?/p>

德福雷斯特說(shuō)，太陽(yáng)黑子是成對(duì)出現(xiàn)的，酷似磁棒。如果一對(duì)黑子中的一個(gè)呈北磁極性，那么另一個(gè)則是南磁極性。它們?yōu)槭裁春驮鯓有纬扇绱说呐帕心?“坦率地說(shuō)，對(duì)于太陽(yáng)的有些問(wèn)題我們還弄不清楚?！彼缡钦f(shuō)。最驚人的發(fā)現(xiàn)之一是噴射，即氣流。在太陽(yáng)表層的下面有幾萬(wàn)千米長(zhǎng)的氣體在緩緩流動(dòng)，這可能有助于說(shuō)明，在太陽(yáng)內(nèi)部某些洶涌澎湃的卻是我們看不見(jiàn)的周期性對(duì)流，同清晰可見(jiàn)的太陽(yáng)表面的磁場(chǎng)的不規(guī)則現(xiàn)象(如太陽(yáng)黑子)之間是有聯(lián)系的。

德福雷斯特說(shuō)，了解太陽(yáng)內(nèi)部結(jié)構(gòu)的另一個(gè)線索可能不是它的發(fā)光情況，而是其響度。太陽(yáng)像一口敲響的鐘一樣在鳴響，振動(dòng)來(lái)源于其洶涌澎湃的內(nèi)部?！疤?yáng)確實(shí)在以聲波的形式振蕩，而且會(huì)突然激蕩起近100萬(wàn)種不同的聲音。聲波來(lái)源于光球?qū)酉旅鎸?duì)流層內(nèi)氣體對(duì)流的激勵(lì)，而氣體對(duì)流是異常喧鬧的?！庇捎趯?duì)流的結(jié)果翻騰到光球?qū)?，在太?yáng)表面表現(xiàn)為無(wú)數(shù)的光粒狀組織，“這些‘火粒有如美國(guó)德克薩斯州那樣大，不停地翻滾并會(huì)在5分鐘內(nèi)消失，那種情景是嘈雜的?！?/p>

現(xiàn)在我們回到寂靜的空間環(huán)境服務(wù)中心。當(dāng)白天的太陽(yáng)氣象咨詢工作完畢以后，研究人員還是輕松不起來(lái)，他們正在為地球未來(lái)的命運(yùn)而困擾著。一位研究人員指著一個(gè)太陽(yáng)黑子說(shuō)：“我們的任務(wù)是分析它的磁性結(jié)構(gòu)，當(dāng)然，這幾乎是不可能的，但我們要盡力去做。”達(dá)不到目的不是他們的過(guò)錯(cuò)，因?yàn)榇蟛糠謹(jǐn)?shù)據(jù)是在地球上收集的，而太陽(yáng)的活動(dòng)過(guò)程是不可預(yù)見(jiàn)的。