令人恐怖的太陽的另一面

太陽會向地球噴射粒子流，而且些帶電粒子會破壞人造衛星。目前預測這些太陽風暴還是很困難的，但是一些物理學家相信在幾年之內我們將面臨最大規模的太陽暴發。

萬聖節（10月31日）是一個充滿奇異現象和恐怖事件的節日。但是無論按照哪個標準，發生在2003年10月底的事情都是非比尋常的。全球範圍內的通 訊受到干擾，美國宇航局（NASA）的半數衛星發生故障，瑞典有5萬人的電力供應中斷，同時全球民航業損失了數百萬美元。

這些事件之間的聯繫並不是超自然現象，而是我們再熟悉不過的太陽。當我們的太陽處於以11年為周期的活躍期時，它就會造成這些混亂。而按照一些預測，發生在2003年10月份的事件和未來5年或者6年將要發生的比起來僅僅是小巫見大巫。

[圖片說明]：暴發：太陽磁場造成了每11年太陽黑子和耀斑會出現峰值。

「下一個周期的太陽活動可能會導致前所未見的問題，」美國國家大氣研究中心（NCAR）的物理學家彼得·吉爾曼（Peter Gilman）警告說，「而且受到影響的並不只有衛星和通訊。」一些科學家認為太陽活動會影響地球大氣層——特別是影響雲的形成。這一觀點吸引了全球變暖 懷疑論者的目光。他們認為，和人類活動相比，太陽活動對改變氣候起到了更大的作用。

太陽11年的周期是由它的磁場所驅動的，它產生的帶電粒子流則被稱為太陽風。在太陽活動周的平靜階段，太陽活動很少，太陽風也很均勻。但是在「太陽活 動極大期」，黑子——太陽表面磁場紐結形成的暗斑——會在太陽表面出現。在黑子上方暴發的太陽耀斑會在太陽風中形成湍流進而向宇宙空間噴射帶電粒子流。

通過統計黑子的個數發現最近一個太陽活動周是比較緩和的。2003年10月，也就是在周期峰值之後3年，出現了兩個巨大的黑子，每一個的直徑都超過了地球直徑的10倍。這兩個黑子幾乎一直處於噴發的狀態，噴射出了數十億頓的帶電粒子。

[圖片說明]：太陽黑子隨年份的變化。

當這些粒子撞入地球大氣層的時候，就造成了上面提到的問題。除此之外，全球海事緊急呼叫系統癱瘓，珠峰探險隊通訊中斷，以及全球定位系統的精度降低。 同時NASA衛星出現了故障，日本的一顆氣象衛星也失去了和地面的聯繫。由於飛機改變航線降低高度導致航線變得擁擠，同時也消耗了更多的燃油，使得航空公 司的成本大幅度增加。

倖免遇難

隨著太陽的自轉，黑子會對準或者偏離地球。當第二個黑子即將在日面邊緣消失的時候，它又產生了一次劇烈的暴發。太陽物理學家計算顯示這是 有史以來最大的太陽耀斑之一。全憑運氣這次暴發是朝向深空的，地球僅僅受到了它邊緣的影響。看到這次暴發的人都會長出一口氣，而且思考如果這次暴發是朝向地球的話會造成什麼樣的破壞？如果對下一個太陽活動周的預測是正確的話，也許我們會找到這個問題的回答。

預報這類太陽暴發的時間和強度顯然是十分重要的。但是這受制於目前科學家對太陽內部是如何運轉的知之甚少。因此為了應對下一個太陽活動周的開始，針對 太陽的最大規模的協作研究將於明年啟動。明年作為國際太陽物理年（IHY），它的用意就是希望讓世人了解太陽活動可能會影響地球氣候，並且希望能聯合不同 領域的科學家一起來研究太陽活動。

現在，太陽活動正處於極小期，絕大多數的預測認為5年或者6年後的下一個太陽極大會比較弱。但是最近第一個基於完整太陽物理模型的預報卻有所不同。

這個預報是由NCAR的茂蘇米·迪克帕提（Mausumi Dikpati）和她的的小組完成的。他們發展了一套數值模擬方案，這個方案綜合了太陽內部磁場發電機和太陽表面附近等離子體運動理論。由此他們得到了一 個令人沮喪的結論。「我們預計太陽黑子和太陽活動會比在這個太陽活動周結束時增加30%-50%，」同時也是這個小組成員的吉爾曼說。

上一次太陽活動達到這個程度的時候是在1958年，當時地球軌道上幾乎沒有航天器。現在的情況就完全不同了，地球周圍有數千顆處於工作狀態的衛星。

人造衛星管理控制人員依靠太陽活動的預報來估計衛星的壽命。太陽風撞擊地球上層稀薄的大氣，造成大氣層密度增加和更多的阻尼。吉爾曼估計太陽活動增加30%會使得300千米處的大氣密度增加幾乎一倍，這會影響低軌衛星。

2012年空間任務的企劃也許會希望把航天器送入更高的軌道，或者乾脆接受航天器壽命縮短這個現實。即使是在800千米的高度，那裡雖然沒有大氣阻尼 的危險，但是卻存在著另一種威脅。太陽風會造成帶電粒子的累積，這會使得儀器設備短路和燒毀。在2003年的暴發中日本的衛星可能就是這樣丟失的。當軌道 上有越來越多的衛星停止工作之後，管理人員將不得不為「太空垃圾」而擔憂。太陽風會改變大氣阻尼，進而改變這些太空垃圾的軌道，這會直接威脅到工作中的衛 星。

太陽對航天器的影響僅僅是對太陽認識的一個方面。太陽活動周對我們氣候的可能影響，尤其是對雲的形成的影響，正在受到越來越多的關注。1997年，丹 麥氣象研究所的兩個氣象學家亨利克·斯萬斯麥克（Henrik Svensmark）和艾吉爾·弗里斯-克里斯登森（Eigil Friis-Christensen）分析了1979年到1992年的衛星天氣資料，提出了太陽活動和雲的形成之間的聯繫。他們發現，在太陽極小時，地球 雲量較太陽極大時多了3%。他們同時注意到在太陽極大時來自深空的宇宙線入射量會上升25%。這兩個科學家稱他們的發現是「太陽-氣候關係中缺失的一 環」。

鼓吹人類活動並不導致全球變暖的氣候懷疑論者緊緊的抓住了這個結果。他們聲稱太陽對氣候變化負主要責任。

但是絕大多數太陽-氣候關聯的支持者還是很謹慎的。「我們並不認為所有的雲都是太陽活動而形成的，而是僅僅認為雲的形成過程會受到太陽活動的影響，」 盧瑟福·阿普頓實驗室的物理學家羅伯特·賓漢（Robert Binghan）說。他是「CLOUD」國際實驗小組的成員。「CLOUD」實驗將使用歐洲核子中心的加速器轟擊氣體來模擬地球大氣，看看是不是會有 「雲」形成。

全球網路

為了更直接的利用下一個太陽活動周，聯合國領導了一個計劃將在191個成員國中安裝無線電接收機。這是第一次在全球範圍內監測太陽風連續撞擊對上層大氣的影響。儘管從定義上講太空始於大約地面高度100千米處，但是由於難以研究科學家對這一區域了解很少。

聯合國的計劃只是國際太陽物理年諸多計劃中的一個。儘管還沒有獲得研究預算，但是已經開始徵集科學提案了，力爭使得不同領域的科學家都能使用太陽觀測 設備和觀測數據。「我們正在相關學會徵集提案，」國際太陽物理年英國協調人、盧瑟福研究所的里查德·哈里森（Richard Harrison）說。

毫無疑問，2007年會有有史以來最大規模的空間計劃來研究日-地間相互作用。十幾個監測太陽活動的探測器已經在軌工作了，另外三個也會在今年發射， 其中包括目前最先進的太陽探測器。NASA的日地關係天文台（STEREO）包含有兩個處於地球軌道上的、幾乎完全相同的探測器，它們將從不同的位置來觀 測太陽，一個位於地球的前方，另一個位於地球的後方。這使得它們可以獲得太陽的立體影像，而且可以追蹤太陽粒子噴射的三維結構。由此，STEREO可以事 先提供暴發的速度和方向的信息。

[圖片說明]：NASA的日地關係天文台（STEREO）。

這些信息可以幫助衛星管理員應對即將發生的危險，但是為了更好的規劃，衛星管理人員需要太陽活動的長期預報。一些科學家，例如哈里森，相信由於我們對 太陽的認識還不足以做有意義的長期預報。以前的預報主要倚賴於觀測未來太陽活動的「徵兆」，缺乏對其背後物理機制的考慮。

例如，在20世紀70年代，天文學家發現太陽活動峰值之後在太陽極區的磁場累積與下一個太陽活動周的的強度有關聯。就在去年，這個方法的創始人之一賴 夫·斯伐加德（Leif Svalgaard）使用太陽極區的磁場預言下一個太陽活動周將是一個世紀以來最弱的一個。其他的「徵兆」方法，例如太陽10.7厘米射電輻射流量以及太 陽極區亮斑的數量，也預報下一個太陽活動周會比較弱。

唯一一個使用「徵兆」方法預報強太陽活動周的是馬歇爾航天中心的太陽物理學家大衛·海瑟韋（David Hathway）和羅伯特·威爾森（Robert Wilson）。2004年，他們注意到太陽活動周的強度和兩個太陽活動周前的黑子數有相關性。按照這個理論，他們預言2012年將出現強太陽活動。迪克 帕提的模擬和這個預報相一致，更重要的是她的模型是基於物理機制的。

在過去的十年里，物理學家發現了在太陽上有一個巨大的等離子體傳送帶，它在太陽兩個半球以每小時30-65千米的速度從赤道向兩極輸送等離子體。太陽 黑子的壽命通常只有幾周，但是它們的磁場卻不會消失。在沉入太陽內部之前，等離子體流會帶動這些磁場，並且在極區積聚，之後它們會向赤道迴流。

[圖片說明]：太陽是怎樣利用等離子「傳送帶」來使得黑子「復活」的。

迪克帕提的工作綜合了可以追溯到1900年的黑子觀測數據以及太陽磁場發電機和傳送帶的計算機模擬。在這個模擬中，傳送帶會清理老黑子，使它們在極區沉沒。在深層迴流的過程中，太陽的自轉會給老磁場注入新的活力，產生新的黑子和太陽活動區。

這是唯一一個基於物理模型的預報，也正是因為如此它受到了太陽物理學家的嚴正關注。「迪克帕提模型背後的件事物理背景是其他預報手段無法超越的障礙，」海瑟韋說。

太陽的記憶

迪克帕提預報的關鍵是太陽傳送帶運轉的速度。深層迴流是無法觀測的，但是模型顯示它流動的速度要比表面的慢，大概只有每小時5千米。如果這樣，這個回 流要花上幾十年的時間。「這意味著太陽會保留對它磁場的記憶20年，」迪克帕提說。因此在她的模型中，太陽活動不僅僅倚賴於前一個太陽活動周還和更早的太 陽活動周有關。與之形成對比的是，絕大多數的「徵兆」預報方法都假設下一個太陽活動周只和上一個有關。儘管不同意迪克帕提的結論，但是斯伐加德仍然說： 「對於科學而言預報出現分歧是好事。」

陽物理學家正翹首以待，想知道這個基於物理的預報是否正確。也許他們不必等到6年之後的太陽活動峰年就能知道結果了。所有的方法預言的僅僅是平均黑 子數，但是觀測資料顯示大的太陽活動周總是開始得比較早而且黑子數上升很快。這意味著，大太陽活動周的徵兆在未來3-4年就能顯現出來。

「我現在只有讓大自然來告訴我們誰是正確的，」斯伐加德說。但是迪克帕提和她的小組也正在改進他們的模型，看看是不是會出現峰年提前到來這一現象。不管怎樣，太陽始終是備受矚目的——從空間任務規劃人員到氣候懷疑論者——他們正追尋著太陽風吹拂的方式。

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