新型太阳风暴预报技术打破地球 24 小时预警障碍

太阳风暴的起源是太阳表面的剧烈爆炸。它们由包裹在复杂磁云中的高能带电粒子组成。当它们从太阳表面喷发时，它们可以以高达每秒 3,000 公里（即每小时 670 万英里）的速度射入行星际空间。根据它们的行进方向，这些高能风暴可以越过地球和其他行星。

如果太阳风暴袭击地球，它将破坏包括 GPS 和高频通信在内的多种现代技术，甚至破坏地面电网，导致无线电中断和全市停电。它还会破坏通讯方式，给航空业造成严重破坏。

为了应对相关的潜在经济损失，受影响的行业一直在寻求一种能够为其提供至少 24 小时预警的解决方案。有了足够的准备时间，他们可以安全地更改运营程序。例如，客机可以改变航线，或者电网变压器可以开始缓慢的“关闭”过程，所有这些都需要至少提前一天通知——远远超出了目前常见的 60 分钟预警时间。通过借鉴早期研究，我和我的同事想出了一种我们认为可以实现 24 小时预警目标的技术。

2014 年 1 月 7 日发布的有关异常大规模日冕物质抛射的错误警报凸显了预报问题的严重性。

磁场决定太阳风暴的严重程度

风暴对我们日常技术基础设施的影响程度在很大程度上取决于其磁场的方向。太阳风暴内的磁场通常呈螺旋状，像螺旋钻一样扭曲。但与地球上的龙卷风一样，这些太阳风暴在演变过程中会发生重大变化——在这种情况下，当它们离开太阳并向行星移动时。

美国宇航局的磁层多尺度任务调查磁重联。

在特定的磁场方向上，闸门打开，让太阳粒子进入地球大气层（磁层）的保护泡。太阳物质和地球磁层之间的这种相互作用主要由彼此磁场连接在一起的过程驱动。这种相互作用称为磁重联。

南北吸引并结合。Geek3，CC BY-SA

磁场的这种重新排列与两块条形磁铁的吸引方式类似。如果将每块磁铁的同极（北极和北极）放在一起，磁场线就会相互排斥。异极会吸引并结合在一起。如果两极不同，在我们这个例子中是太阳风暴和地球磁层之间的两极，它们就会磁连接在一起。地球磁层的这种新连通性现在包含了之前在太阳风暴中被隔离的高能粒子。如果大量高能粒子进入地球高层大气，这种反应就会产生通常被称为北极光的视觉盛宴。

太阳等离子体撞击地球磁层，照亮南极洲的天空。NASA/戈达德太空飞行中心科学可视化工作室，CC BY 4.0

寻找：提前预报

到目前为止，预测袭击地球的太阳风暴内的磁场结构仍然难以实现。世界各地的现代预报中心，例如 NOAA 和英国气象局，都依赖于地球前方的航天器（例如 NOAA 新发射的 Discvr 卫星）对太阳风暴内部的直接测量。测量结果告诉我们太阳风暴磁场的方向，从而告诉我们它是否有可能以对我们的技术造成危险的方式重新与地球磁层连接。我们只能提前不到 60 分钟发出预警。

创建可靠预测的困难主要在于我们无法可靠地估计太阳表面上方风暴的初始结构，以及难以观察风暴在大约两天内到达地球时如何演变。

我和同事最近在《太空天气》上发表了一篇文章，提出了一种预测太阳风暴初始磁结构的改进方法。更好地掌握这些太阳风暴的起源是预测风暴如何影响地球以及影响程度的重要一步。

我们的方法依赖于正确地修改先前的发现，即隐藏在太阳表面之下的太阳等离子体（主要是氢离子）和磁场的运动如何影响太阳风暴的初始结构。这被称为太阳发电机过程。这是一个物理过程，据信会产生太阳的磁场。它是驱动所有观测到的太阳活动的引擎和能量源——包括太阳黑子和长期太阳变化以及太阳风暴。

太阳风暴从太阳爆发的爆炸视图。

我们认为，将这种经过修改的初始风暴模型与一种结合风暴早期发展阶段的新方法相结合，将大大提高我们的预测准确性。利用 NASA 的 STEREO 和 SOHO 太空飞船在行星际空间的三个位置上的摄像机对整个太阳风暴进行三角测量，并采用我们开发的现代建模技术，可以实现更可靠的预测系统。由于这些摄像机位于太空中截然不同的有利位置，我们可以将它们结合起来，以改进我们对太阳风暴整体形状和位置的估计——就像我们通过两只眼睛看世界时获得的景深一样。