太陽氣象預報

孫文德

在美國科羅拉多州空間環境服務中心的一座大樓里，深藏著一些毫不引人注意的衛星天線。進進出出的技術人員中有不少人穿著美國空軍的服裝，日夜不停地接收著“天氣”預報。只不過，他們是從事太陽天氣預報的太陽觀測師，對科羅拉多州絢麗多彩的天氣不感興趣，卻整天目不轉睛地盯著一臺臺計算太陽上天氣變化的計算機監視器，不停地審視著從美國、歐洲、日本的政府和軍方1400個研究太陽氣象的數據提供單位源源不斷發來的重要信息。它們探測的是來自太陽的電磁風暴。宇航員和飛機上的乘客受這些強烈電磁波的輻射，健康就會受到損害。這些電磁風暴也會影響旅客通話的手機和飛行中的人造衛星，甚至有可能摧毀變壓器和電力網。

因此，來自每個重要的人造衛星、射電望遠鏡或太陽觀測站的數據，對于空間環境服務中心的太陽氣象預報人員來說都是有用的。空間環境服務中心是美國國家海洋及大氣管理署和美國空軍的前哨站點。它全天24小時工作，旨在設法屏蔽或過濾掉太陽輻射中最有害的部分，使太陽氣象學家們能整天安全地注視著他們的“獵物”。太陽預報員們所追蹤的，有些僅僅是由波形線條組成的從太陽蒸發出來的叫做太陽風的帶電粒子流。

當然，太陽技師們所關注的是太陽整體而不是敘述它的美麗。他們注視著叫做太陽黑子的小斑點。與地球上的颶風不同，這些斑點區域沒有名稱，只有編號。前不久的一天早晨，技術人員注視著的是編號為AR8739和AR8742的兩個活動區域。太陽預報者們為什么專注于太陽表面的這種“黑痣”呢?因為太陽就將到達其11年活動周期的頂峰。太陽看上去是在穩定地發光，但每隔11年，它會像一口沸騰的大鍋一樣，煙氣滾滾，飛沫四濺。

1989年3月，太陽一個活動區域AR5395的爆發，導致加拿大魁北克省供電中斷達9小時之久，使600萬人在黑暗中冷得瑟瑟發抖。那時正值前次太陽活動周期的高峰，在美國和瑞典也都發生了斷電事件。新澤西州一座核電站的變壓器被徹底破壞，不得不換裝一臺新的變壓器。

那時，高級太陽預報技師加里·赫克曼是空間環境服務中心的管理人員，他正在為預報工作臺配備人員。那時和現在一樣，預報工作臺就像一個票據交換所，什么事情都通過電話聯系，白天黑夜都有人守在電話機旁。從1965年開始就干起預報太陽氣象的赫克曼，當時接到來自加拿大北極地區一個軍官的電話：“太陽真的出現了一個大耀斑。我們正在受到太陽風暴的襲擊，但確切時間難以預測。”

1989年的太陽風暴事件使空間環境服務中心啟用了對地靜止環境監測衛星。果然，該衛星很快便探測到自太陽涌來的強烈X射線。更多的耀斑出現了，其中的一個竟持續12小時，這是從未有過的。“這就如同在一個地方觀看到了連續幾個小時不斷的閃電，”赫克曼說：“許多人試圖了解這次耀斑的出現對人造衛星、信息渠道、導航系統以及其他各方面會帶來哪些問題。在預報中心，我們超負荷地工作，接待這些訪問。這類詢問持續了半個月之久。與此同時，空間跟蹤操作人員給所有空間位置出現偏差的人造衛星進行了重新定位。”這時，為了預防出事，各有關工業企業也做了不少的準備工作。

由于太陽內部活動的復雜性，我們又缺乏足夠的信息，太陽氣象的預報不可能總是像預報地球上的天氣那樣準確。空間環境服務中心的預報人員雖然小心謹慎，但仍漏報過較大的事件，也偶爾出現過錯誤的預報。

正如太陽預報工作領導人喬·孔切斯指出的那樣，太陽爆發除了可能導致在兩極區域出現宏偉壯觀的極光外，在絕大部分時間里對地球沒有直接的影響，但當太陽活動達到最高潮時，太陽周期性變化的磁場強度達到峰值。歷史清楚地記載著地球上所發生的一切災害。一個特殊的太陽活動區域會突然向地球方向噴射出幾千億噸的物質和足以導致電力網癱瘓的巨大能量，這種大規模的太陽事件被稱為日冕物質拋射。雖然這種可怕的偶發事件出現的概率不大，但太陽耀斑、太陽黑子和冕洞都會將物質或能量甚至將兩者同時向我們拋過來。在正常情況下，太陽每秒發射出的能量為4×1023千瓦，其中許多能量是我們的肉眼所看不到的。如果把它們都變成“能看見的”，那么太陽的亮度會比現在亮上100億倍。在活動達到峰值時，它還要通過電磁波譜(X射線、電子、質子、中子、伽馬光子)增加其能量輸出。例如，在正常情況下，太陽風的傳播速度為每小時約160萬千米，估計在2000年太陽活動最劇烈時可以達到上述速度的3倍。

為了盡量減少這場太陽風暴所造成的影響，科羅拉多州的太陽觀測師和太陽氣象預報工作者們通過熱線電話、傳真機、電子函件和網頁，與最易在太陽風暴中遭受損失的單位保持著密切的聯系。熟練的技術人員知道，太陽磁性活動最強的時間可能要持續好幾年，但究竟多長，則不可能像計算日蝕那樣給出準確的答案。

雖然對太陽事件的預報能力還有種種缺陷，但比之最初的太陽黑子尋覓者們來說還是大有進步了。公元前800年，中國人便有了關于太陽黑子的記錄，但限于觀測設備，未能對太陽黑子做出精確的研究 。直到歐洲文藝復興時期，意大利科學家伽利略和另三位歐洲人才用望遠鏡看到了日面上的斑點。但當時對此仍有爭議，因為中世紀的歐洲流行著古希臘哲學家亞里士多德的觀點——太陽是一個不變的、沒有任何缺陷的火球。17世紀初葉與伽利略同時代的科學家們更愿意相信太陽是沒有瑕疵的，但太陽黑子的真實存在卻很快被大家接受了。1947年拍攝到的最大的太陽黑子的面積達180億平方千米，足以遮住40個地球。即使是一般的太陽黑子，也與地球上的一個大陸不相上下。

太陽黑子的溫度比它們鄰接的太陽表面的溫度約低1800℃，因而顯得暗些。它們的實際溫度約為4200℃，是太陽上面最冷的場所。但是每個黑子和其他太陽現象的關鍵都是電磁現象，和地球一樣，帶著電自轉的太陽被包裹在一個繭狀的環形磁場內。有的磁場圍繞著太陽，其他的則存在于太陽大氣內。在11年的太陽活動周期內，有一個科學家們還不能解釋的時期，此時一些磁力線將它們自己向外推，穿過人們可以見到的太陽大氣的主要層次——光球層。

“太陽黑子之所以暗黑，是由于磁場抑制了光球深處的熱量通過對流向上傳輸而形成的。”克雷格·德福雷斯特這樣解釋。他是繞太陽飛行的太陽日光層觀測器衛星的常駐觀測者，“那些突然出現的磁力線是肉眼看不見的，但它們刺穿和重新進入光球層之處是看得見的，這是因為在這些地方，日常的太陽活動過程不那么光焰十足。”

德福雷斯特說，太陽黑子是成對出現的，酷似磁棒。如果一對黑子中的一個呈北磁極性，那么另一個則是南磁極性。它們為什么和怎樣形成如此的排列呢?“坦率地說，對于太陽的有些問題我們還弄不清楚。”他如是說。最驚人的發現之一是噴射，即氣流。在太陽表層的下面有幾萬千米長的氣體在緩緩流動，這可能有助于說明，在太陽內部某些洶涌澎湃的卻是我們看不見的周期性對流，同清晰可見的太陽表面的磁場的不規則現象(如太陽黑子)之間是有聯系的。

德福雷斯特說，了解太陽內部結構的另一個線索可能不是它的發光情況，而是其響度。太陽像一口敲響的鐘一樣在鳴響，振動來源于其洶涌澎湃的內部。“太陽確實在以聲波的形式振蕩，而且會突然激蕩起近100萬種不同的聲音。聲波來源于光球層下面對流層內氣體對流的激勵，而氣體對流是異常喧鬧的。”由于對流的結果翻騰到光球層，在太陽表面表現為無數的光粒狀組織，“這些‘火粒有如美國德克薩斯州那樣大，不停地翻滾并會在5分鐘內消失，那種情景是嘈雜的。”

現在我們回到寂靜的空間環境服務中心。當白天的太陽氣象咨詢工作完畢以后，研究人員還是輕松不起來，他們正在為地球未來的命運而困擾著。一位研究人員指著一個太陽黑子說：“我們的任務是分析它的磁性結構，當然，這幾乎是不可能的，但我們要盡力去做。”達不到目的不是他們的過錯，因為大部分數據是在地球上收集的，而太陽的活動過程是不可預見的。