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太阳风暴,能像预报天气那样预测?
来源:科技日报      作者:刘海英      时间:2017-04-12 17:32      关键词:
摘要:人们热爱太阳光的温暖,却往往忽视我们赖以生存的这颗恒星的暴烈。

人们热爱太阳光的温暖,却往往忽视我们赖以生存的这颗恒星的暴烈。虽远隔亿万公里,太阳风暴对地球的影响依然巨大,导致的损失难以估量。人类能及时预测太阳风暴,进而降低遭受的损失吗?美国国家大气研究中心(NCAR)的一项最新研究成果或为人类预测太阳风暴提供了可能。

NCAR研究人员在近日出版的《自然·天文学》杂志上发表论文称,太阳上存在类似于地球上行星波一样的长波,很可能与太阳黑子、耀斑等活动密切相关。这一发现使科学家今后能从一个新角度观察太阳,更好地研究太阳的活动。

罗斯贝波,极端天气的背后推手

罗斯贝波是一种行星波,由20世纪最有影响的气象学家卡尔—古斯塔夫·罗斯贝发现并因而得名。罗斯贝波是地球大气中的一种非常缓慢的、大尺度的波动,波长(两个相邻槽线或脊线之间的距离)达3000千米到10000千米。它因地球自转时不同纬度和高度上的角速度不同而引发,是地球大气中自然形成的一种现象。

在地球上,罗斯贝波与大气喷流的路径和压力系统的形成有关,会对大气气象造成很大影响,因而成为天气预报的重要理论依据。也曾有研究认为,北半球与大气环流模式有关的一些极端天气,如2010年的俄罗斯热浪、2013年的欧洲洪水,极有可能与罗斯贝波密切相关。

观测太阳,科学家等来一个机会

地球上的罗斯贝波形成于大气中的旋转流体,而太阳同样在旋转,且由于它主要由等离子体组成,在某些方面,就像一个巨大的磁化海洋一样。因此,在NCAR科学家斯科特·麦金托什看来,太阳上存在罗斯贝波并不奇怪。

但猜测到与实际观测到完全是两码事。长久以来,科学家们并没有把这种波形区分开来的手段。他们可以利用众多的卫星全方位地观测地球,但却只能站在地球上仰望星空,从一个角度去研究太阳。

这一窘境直到2011年才有所改观。从2011年到2014年这3年里,科学家们终于找到了一个前所未有的机会,一个一次性全方位观测太阳大气的机会。在此期间,他们不仅得到了布设于地球与太阳之间的美国国家航空航天局(NASA)太阳动力观测站(SDO)的观测数据,同时还得到了NASA日地关系观测站(STEREO)任务中两颗围绕太阳飞行的航天器的观测数据。三个观测台提供了持续的、360度的太阳观测视角,直到2014年STEREO的一个航天器失去联系。

结合三颗卫星的数据,科学家们可以看到整个太阳,得以在同一时间进行全面的观测。NASA戈达德太空飞行中心的SDO项目科学家迪恩·佩斯奈尔说:“这些数据扩展了我们的研究边界,对于了解太阳磁场及太阳内部活动至关重要。”

数据挖掘,万千影像中查找波形

麦金托什和合作者全面挖掘了在这一窗口期收集到的数据,希望能够看到大尺度波型的出现。

研究小组利用SDO和STEREO仪器拍摄的图像来识别和跟踪太阳表面的冠状亮点。这些亮点分布在整个太阳表面上,并被用来跟踪、分析太阳大气的深层运动。他们将合并后的数据绘制在霍夫穆勒图上,这是一个由气象学家开发的研究工具,以突出波在地球大气层中的作用。通过分析,研究人员得出结论,磁化活动会慢慢地扫过太阳,就像在地球上的罗斯贝波一样。

这一发现使得科学家能将一系列与磁场相关的太阳现象,包括太阳黑子的形成、黑子生命周期、11年太阳周期的起源等联系起来。麦金托什说:“所有这些现象可能是‘捆绑’在一起的,但我们需要一个全面的视角来看待它们。我们相信,数十年来人们一直在观察这些类似罗斯贝波的影响,但却没有把它们整合在一起。”

预测风暴,尚需更全方位的观测

太阳上存在类似罗斯贝波的波动现象,这一发现使科学家可以从新的角度理解太阳的真实情况,而且可以更好地预测太阳的活动。

美国国家科学基金会大气和地球科学部门项目主管伊利亚·罗塞夫指出,这一发现对太阳风暴的预测至关重要。太阳风暴是空间气象恶化的主要驱动力,而恶劣的空间气象会对地球造成严重影响,如损坏太空中的卫星,影响通信和导航系统,导致电网停电,其造成的经济损失每年高达100亿美元。

但现在就说人类可以准确预测太阳风暴还为时过早。科学家们还需要更广的观测角度和视野,再次对太阳进行全方位的观测,以更深入地了解这种波的波形和存在的模式。麦金托什说:“我们需要一个围绕太阳飞行的宇宙飞船,持续监测太阳磁场的演变。”


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