SDO拍摄到的日冕物质抛射图

SDO与普通电视、高清电视以及其他两种观测卫星的分辨率对比图

虽然太阳是我们生活中最常见的星体,但人类还从来没有如此细致地看到过太阳表面的活动。而自1985年以来,所有可能造成全球变暖的太阳因素都朝着相反的方向发展。

叹为观止的影像

4月下旬,互联网上出现一批太阳的特写照片,照片上的太阳烈焰四射,很不安宁,与春季里人们感受到的发出温和光线的太阳判若云泥。

太阳突然变得暴戾起来了吗?其实不是。这些照片来自于美国宇航局(NASA)新发射的太阳观测卫星“太阳动力学天文台”(SDO),它们是迄今获得的最为震撼的太阳照片。虽然太阳是我们生活中最常见到的星体,但人类还从来没有如此细致地看到过太阳表面的活动。SDO于今年2月11日发生升空,运行在36000千米的地球同步轨道,运行寿命为五年。它搭载了三部研究太阳的仪器,能够不间断地对太阳进行观测,照片的清晰度是一台高清电视的10倍。

这三部仪器分别是日震和磁场成像器、大气成像装置、极紫外测变实验装置。其中日震和磁场成像器使用所谓“日震学”的方法来研究太阳内部的构造。就像是地震学家通过地震数据来研究地球内部结构一样,天体物理学家利用声波来达到相似的目的。4月8日,SDO观测到了一次太阳活动。编号1060的太阳黑子释放了一个小型耀斑,耀斑发出的激波在整个太阳上传播。SDO的照片清楚地显示出太阳大气中的环形磁力线结构(磁环)在激波经过时前后摆动。后来,激波消失在太阳圆面的边缘。但事情并没有结束,四个小时之后,在距离耀斑发生位置20万千米的地方,一个大型的日珥抛射出来。

科学家认为,这个日珥的出现并不是一个偶然事件。激波传播的时候,会破环它所遇到的磁场的稳定性,支撑日珥的磁场被激波打乱了,才出现了这次抛射。“一次看起来并不大的耀斑在传播的中途引发一次大质量的日珥抛射,这是一种之前未曾预料到的联系。当人们充分理解这种现象之后,在空间天气的预报上可能会出现重要进展。”美国宇航局的一篇文章评论说。SDO项目的科学家认为,SDO在人类认识太阳方面带来的革新将如同哈勃太空望远镜为天体物理学带来的变革。目前SDO仍然处在调试阶段,5月中旬之后将会每日更新太阳照片。

在第一批发表的照片和视频中,太阳的表面向外喷射出的物质就像是一条条的火龙。这种现象叫做“日冕物质抛射”,它是巨大的、携带磁力线的泡沫状气体,在几个小时中被从太阳抛射出来的过程。一次日冕物质抛射所抛出的物质的量相当于密西西比河整条河的水量。该现象发生的时候,气体物质在短短一秒钟之内被加速到时速一百万英里。

来自太阳的风暴

太阳是对地球上的环境和生命影响最大的天体。天文学家们也一直好奇于太阳活动在地球上究竟会产生怎样的影响。

英国18世纪的天文学家威廉·赫歇尔就曾研究过太阳黑子的多寡与小麦价格之间的关系。他发现,在英国,如果某年太阳上出现的黑子比较多,那一年的小麦收成就会很好,由此小麦的价格也会比较低。

英国《新科学家》杂志幻想过这样的景象:2012年9月22日的午夜,曼哈顿的夜空中出现摇曳的彩光。纽约人几乎从没有在如此靠南的纬度上看到过极光。但没待他们在这罕见的美景中沉浸多久,电灯泡开始明暗闪烁,突然暴亮一下之后便熄灭了。90秒钟之后,美国东部全部断电。

一年之后,“欧洲、斯堪的纳维亚、中国和日本也在努力从这次事件中恢复元气,它是一次强烈的风暴,来自1.5亿千米之外的太阳表面”。

这番幻想尽管听上去十分夸张,但如果美国科学院2008年的报告《恶劣空间天气事件———理解社会和经济冲击》是正确的,那么类似的场景便是有可能发生的。太阳风暴携带了大量的带电粒子,这些带电粒子到达地球后会迅速扰乱地球磁场,可以造成通讯系统、GPS卫星失灵,被扰乱的磁场会在远距离输电线中产生电流,这些电流可能造成电网瘫痪。

历史上有记载的最严重的一次太阳风暴发生在1859年。那次事件以英国业余天文学家理查德·卡灵顿(RichardCarrington)的名字命名,因为他最早观察到了太阳上出现的两道明亮的白光。卡灵顿事件造成了长达八天的恶劣空间天气。当时甚至有人在赤道附近地区目击到了极光。

《恶劣空间天气事件》的作者认为,如果卡灵顿事件发生在今天,那么影响会更严重,而且科技越发达的社会受到的影响也越大。因为远距离输电线构成了巨大的天线,它们在太阳风暴中会形成电流冲击变电站。另一方面,包括供水、物流、金融在内的与日常生活息息相关的系统都需要依靠电力,一旦断电,就是一场灾难。它导致的经济损失可能达到1万亿到2万亿美元。

另外,《新科学家》的科幻场景之所以出现在2012年,是因为太阳活动有一个11年的自然周期,2012年刚好是太阳活动极大年。

好的消息是,根据美国宇航局的预测,此一轮太阳活动周期中太阳黑子极大值为90,略高于历史记录中的最低值78。如果这种预测是正确的,那么2012年将会经历一个温和的太阳活动极大年。但美国国家海洋和大气管理局(NOAA)空间天气预测中心的物理学家道格·毕赛克(DougBiesecker)仍然警告说:“即便是在低于平均值的太阳活动期,恶劣空间天气现象也有可能出现。比如说1859年的大磁暴发生时的太阳活动水平就与我们预测中的2013年的水平一样。”

太阳活动与冷冬

太阳活动对地球造成的另一种可能的影响体现在气候方面。一些科学家曾经怀疑太阳活动造成了全球变暖,但事实证明,与20世纪全球变暖并不一致的是,自1920年代以来,太阳黑子的数量呈现出减弱的趋势。

2007年发表在《英国皇家学会会报》的一篇论文指出,卫星数据显示,所有可能造成气候变暖的太阳因素在1985年之后都在向相反的方向发展。太阳黑子在20世纪中有两个极大年,一个是1960年,一个是1985年,它的数量在1985年之后在下降。黑子的数量是太阳活跃程度的表征,数量下降的黑子与全球变暖的趋势并不一致。另一种说法是宇宙射线有利于云层的形成,而云能够为地球降温。但研究发现宇宙射线在1985年达到最小,之后的年份里出现上升,这也与全球变暖不一致。还有太阳的亮度,在1977到1985年间曾有上升,但之后也是下降的状态。“自1985年以来,所有可能造成全球变暖的太阳因素都朝着相反的方向发展。”论文作者之一、英国雷丁大学的迈克·洛克伍德(MikeLockwood)说,“如果它们真的是重要的因素,那么我们现在就应该在变冷了。”洛克伍德及其同事在今年发表在《环境研究快报》上的一篇新论文中指出,尽管太阳活动并不是影响全球气候变化的重要因素,但太阳活动的低潮很可能造成了英国和欧洲北部近两年来的冷冬。

洛克伍德等人注意到,在2008年到2009年的大部分时间里,太阳表面几乎看不到黑子,太阳磁场对地球的影响也跌至有记录的150年来的最低点。他们于是拿出英国中部自1659年以来的气温记录,与太阳活动情况进行对照。结果发现,在太阳活动较弱的年份,英国经历冷冬的可能性就较大。“只有百分之一的可能性这种情况是碰巧出现的。”他们在论文中写道。

他们还将模型中由20世纪工业排放造成的升温去除,发现太阳活动较弱年份与冷冬之间的统计学关系更加明显了。他们认为这说明英国的冷冬与全球变暖无关。

美国海军研究实验室研究日地关系的物理学家朱迪斯·黎恩(JudithLean)在2008年发表的另一项研究的结论与洛克伍德的十分相似。她发现当太阳活动剧烈的时候,北欧的天气就会比平均状况要更暖和。

洛克伍德和黎恩的研究均是统计结果,其背后的物理解释目前还不清晰。一种观点认为,由西吹过大西洋进入北欧的风向的变化造成了冷冬的形成,而风向的变化可能与太阳活动的变化有某种相关性。

SOHO的后继者

在SDO这个探测器之前,美国宇航局曾在1995年发射了太阳与太阳风层探测器(SOHO),这架探测器最初计划的运行时间是两年,后来持续延长,以期能够覆盖太阳活动的11年周期。实际上,过去15年里我们看到的多数太空中拍摄的太阳照片都来自SOHO。SDO是美国宇航局“与日同在”计划中发射的第一颗探测器,“与日同在”计划的目标是理解太阳这颗磁场变化的恒星,测量其对地球上的生活和社会的影响。

另一架目前运行中的太阳探测器是美国宇航局2006年发射的日地关系天文台(STEREO),它能够与SOHO一起从三个角度拍摄太阳的立体图像。日地关系天文台与SOHO一起能够更加准确地计算出日冕物质抛射的方向和抵达地球的时间。

与这两架探测器相比,SDO的性能又有了大幅超越,它不但图像清晰度更高,而且能够每秒钟拍摄一张太阳照片。相比之下,STEREO每3分钟拍摄一张,SOHO每12分钟拍摄一张。

但SOHO迄今仍有一项其他探测器无法超越的强项:它的“广角和分光日冕观测仪”中有一块“遮阳板”,能够把太阳的主体遮挡起来,让天文学家看到亮度只有主体千万分之一的日冕,对日冕物质抛射进行研究。

未来几年,美国宇航局和欧洲空间局计划发射更多的太阳探测器,研究太阳本身的物理活动以及这些活动与地球的关系。中国的太阳极轨射电望远镜计划在2017年发射,用于连续跟踪监测日冕物质抛射事件从太阳表面到地球轨道处的传播与演化。（黄永明）