太阳表面巨量日冕物质抛射会在地球大气层中引发强烈磁暴。Edwin Cartlidge于本文中所描述的一项新太空计划将以前所未有的视角观察此类爆发现象。

1989年3月，加拿大魁北克市的居民经受了一次由太阳制造的混乱。地球大气层中的磁暴使城市局部电网负载突增，导致电路跳闸，继而引发一个又一个电路跳闸，直至整个电网瘫痪。造成的后果是，电力和暖气供应中断了9个小时，地铁和飞机场停运，学校和商业机构也都被迫关闭。


喷发中的太阳: SOHO空间探测器拍摄到的一次日冕物质抛射; 图片来源：ESA/NASA

此次事件以及其它类似的地磁暴现象据认为应归因于日冕物质抛射(Coronal Mass Ejection, CME)。这种太阳表面的激烈喷发活动能够将数十亿吨等离子体以几百万公里的时速抛向太空，驱使电流和高能粒子贯穿屏卫地球的磁场。现有的太阳监测卫星可以在磁暴即将来临时提供一定程度的预警，使得电力公司可以提前将部分电网隔离开来，或让卫星操作人员将设备转入安全模式。但是这些预警通常都太迟或不够精确，由此所导致的损失将是极其惨重的。事实上科学家估计，若是将波及到的相关业务损失一并考虑在内的话，一次威力强大的磁暴对卫星所造成的损害将高达 700亿美元之巨。

值得欣慰的是，我们很快将拥有一把利器，这就是NASA的日地关系观测台(Solar Terrestrial Relations Observatory, STEREO)。预定将于今夏发射升空的STEREO价值5.4亿美元，由两个几乎一模一样的卫星所组成，其中之一定位于地球绕日轨道的前方，另一个则在后方。这两个卫星将为我们描绘出日冕物质抛射的三维图景，这不仅使我们对该类事件的理解大为改观，同时可以更好地预报随后而来的地磁暴。

磁场扭曲

与地球类似，太阳可以看作是内含一个巨大的磁棒，或称磁偶极子。其磁场强度并不怎么突 出，大约50高斯(5×10-3特斯拉)而已，跟冰箱里用的磁铁相当，不过局部磁场扭曲地带则要强得多。这种扭曲一般认为是因太阳的较差自转而引起的 ——太阳上极地地带需要花33到34天才能转上一圈，而赤道地带只需约25天。结果就是，太阳中心产生的磁场缠绕起来，导致局部区域场线密集，并从中心突出来。这些区域的磁场强度高达数千高斯，限制了中心向外侧的热对流活动，从而在太阳表面形成暗斑，也就是通常所说的太阳黑子。

磁场越缠越紧，最终会达到一个断裂点，然后突然解除纠缠，在该过程中释放出巨大能量。据认为就是这股能量的释放导致了太阳耀斑——一种太阳大气层内的猛烈爆发现象，能够将太阳发射的带电粒子加速到极高速。也正是这股能量造成了日冕物质抛射。

当发生日冕物质抛射时，被抛出的等离子体急剧膨胀，形成U状气泡，磁场的一头贯穿其中，另一头则扎根于太阳上(见图一)。一个朝地球方向抛出的气泡要抵达目的地通常需要两至三天，在这段旅程中它会持续的推动运动较缓慢的太阳风(一股从太阳上持续不断发射出来的带电粒子流)，如同推土机一样，将挡道的太阳风物质推挤到高密度态，并在前方形成很明显的锋面，行话叫做激波；而激波反过来又可以将部分太阳风粒子加速到更高能量。


图一 空间天气的起源: 地球偶极磁场暴露在太阳风中(上图)。所谓太阳风，是太阳持续喷射出的带电粒子流。在靠近太阳的一侧，太阳风压缩了具有防护作用的地球磁层，而在远侧则将其拉长。当发生日冕物质抛射(CME)时，通过太阳风的中介，地球磁层被进一步压缩。CME从日面抛出的等离子体形成膨胀着的U形气泡状，其内部冻结着磁场(下图)。地磁暴正是源于这些磁力线与地球磁力线的重联以及对地球磁层的压缩。图片来源：ESA/NASA

等离子体气泡在抵达地球时，主要会引发两个后果。其一，地球周围本有受地磁场控制的区域，称为磁层，可起到一定保护作用；正常情况下向阳面磁层顶一般距地表六万公里以上，而激波则会压缩它。一旦向阳面磁层顶退缩到四万公里(地球同步卫星轨道高度)以下时，地球同步卫星就要出麻烦了。此时，来自太阳耀斑或太阳风的高能粒子便可以长驱直入，击穿卫星的防护罩，使计算机内存位跳转。

其二，气泡内的磁力线与地球磁层的磁力线重联，释放出巨大能量。这股能量可以加速原本存在于磁层内的粒子，可能也包括来自太阳风的粒子；这些粒子然后与高层大气的空气分子相互作用，从而在地球的南北极造就绚烂的极光。另一方面，这些粒子会使磁层内蓄积起强大的电流来，进而损坏卫星的微电子设备，破坏地表电力供应，魁北克事故便是肇因于此。

地磁暴还可能伤害到宇航员。STEREO项目科学家Michael Kaiser指出，去年一月份曾有过一次强磁暴，倘若那时刚好有前往火星的宇航员执行太空行走任务，就会受到极危险辐射量的照射。即便是处在轨道相对较低的国际空间站，外出也要冒一定的风险。“你绝对只想呆在里边，”Kaiser说。

双星携手，谁与争锋

运行中的空间探测器可以监测到迫在眉睫的太阳爆发。例如，NASA的先进组合探测器(Advanced Composition Explorer, ACE)通过探测迫近地球的太阳风高能粒子，能够在磁暴来袭前一个小时发出相当精准的预报。与此形成对照的是，NASA与ESA(European Space Agency, 欧洲航天局)合作开发的太阳和太阳风层探测器(Solar and Heliospheric Observatory, SOHO)所探测的物质离太阳更近，这使得它可以提前几天预报可能的爆发。不过这也意味着，SOHO测量太阳喷发方向时只要差之毫厘，抛射物在抵达地球时就会谬以千里，其预报的可靠性因此大打折扣。

依靠全方位三维观测，STEREO将可以精确预测CME抛射物的演进历程。使用一箭双星方式发射升空后，STEREO双星利用二者定位上的细微偏差，便能够判断出冲向地球的物质流的方位和速度，如同人的双眼一样(见图二)。探测器上搭载有一系列光学和紫外成像仪，它们将跟踪记录日冕物质抛射从日面上形成、穿过太阳大气层(即日冕)、途经行星际介质直至最终与地球交会的三维演进全过程。观测计划还将对CME抛射出的气泡体积进行评估，这样我们便能了解初始喷发的规模，进而知晓有多少能量将会释放到地球磁层内。

除此之外，探测器还携带有射电接收器，以便检测太阳风粒子被激波加速时所发出的射电辐射。这些辐射同样可以给出CME气泡的三维图像，与可见光波段和紫外波段所获得的图像相互独立而又相互补充。另一套仪器则可以探测高能粒子，测量CME气泡内磁场相对于地球磁场的定向——当两者相向时所引发的地磁暴严重程度要远超过并行排列时的情形。“STEREO将ACE和SOHO的功能合二为一，兼具观测定位之地利，”Kaiser点评道，“尽管我们要观测的不是什么新东西，但却是以全新的视角来进行。”


图二 双星监控太阳磁爆: 有赖于它们在太空中相互错开的优越定位，STEREO双星能够描绘出日冕物质抛射的三维图景。按预定计划，将于本月底 (译者注：指2006年7月底。)从佛罗里达州卡纳维拉尔角发射场用一枚波音Delta二型火箭将它们一并送入太空，不过倘若那块给火箭自毁装置供电的电池还有问题的话，发射日期就会被顺延 (译者注：根据官方网站的消息，发射期已被延后，不会早于2006年8月31日。)。升空后STEREO将沿着偏心轨道绕地飞行，在两三个月后获得与月球近距离接触的机会。此时双星已经分离得很开了，借助于月球引力，这两个飞行器将被甩到完全不同的航线上。其中之一会直接进入绕日轨道，另一个则独自折返，并于六星期之后再度掠过月球，随后进入绕日轨道。最终，两个飞行器一前一后地夹着地球，开始其绕日飞行的旅程。图片来源：NASA

磁暴预警

STEREO将向遍布全球的跟踪站发送实时数据流，这些跟踪站都是由美国国家海洋与大气 管理局(National Oceanic and Atmospheric Administration, NOAA)组织运行的；NOAA负责为美国提供天气预报，包括空间天气在内。据Kaiser表示，由太阳的压缩图片和高能粒子测量结果所组成的 STEREO数据将把对磁暴的预警时间由ACE的一小时提升到两三天那么长。

尽管如此，对于某些情形来说，两天的预警时间还是短了点。举例而言，航空公司需要一周的时间来重新安排航线，以便避开极地地区，因为极地受地磁暴的影响最严重。然而由于CME抛射物只需两到三天就可抵达地球，这就要求我们必须研究太阳活动状况，以此来预测CME的发生及其严重程度。STEREO并不具备如此高的灵敏度，无法提供此项服务。不过预定于今年晚些时候发射的日本Solar-B卫星，以及预计将于若干年内发射的NASA太阳动力学观测台 (Solar Dynamics Observatory)，将为我们开拓一条通往美好愿景之路。这两个观测卫星可以把太阳上的磁场变化情况测量到极高精确程度。

Kaiser将过去十年来我们在理解空间天气方面的进展与大幅提升的地面天气预报能力做了一个比较。“回顾一下1950年代的情形，那时候能预测到飓风简直就称得上魔法了，”他说道，“可是现在我们已有能力预测飓风将在哪儿登陆，误差不超过十哩；还知道它们将于何时形成。目前我们正沿着同一条路前进。”