极端空间天气：预测和工程解决来自太阳的风暴

空间天气并不是我们大多数人每天都会考虑的事情。但太阳带电粒子和磁场不断地扫过太空，并与地球自身的磁场碰撞。偶尔，极光会填满天空，光线沿着这些磁力线舞动。然而，最极端空间天气发生在太阳以高达每秒3000公里的速度将数十亿吨高能粒子直接喷射向地球时。

这些被称为日冕物质抛射（CMEs）的爆炸，从太阳的外层大气——日冕中爆发出来，可能导致强烈的地磁暴，并对宇航员、卫星和航天器产生负面影响。

日冕物质抛射和地磁暴

当地球磁场受到扰动时，就会发生地磁暴。最极端的地磁暴是由日冕物质抛射驱动的。

美国宇航局空间天气负责人James Spann表示，日冕物质抛射会极大地激发地球的磁场。“像地球这样的磁化天体受日冕物质抛射的影响可能非常灾难性，这取决于其大小和速度。”

据信，1859年9月1日（卡林顿事件）发生了一次最强的日冕物质抛射，17.5小时后到达地球，引发了一场大范围的地磁暴。加勒比海地区都能看到极光，世界各地的通信中断，电报线路起火。

近百年来，科学家们都知道，当太阳活动更频繁、产生更多太阳黑子时，中小型日冕物质抛射更有可能发生，这大约每11年发生一次。但一直有人怀疑，像卡林顿事件这样的极端事件是否也遵循太阳周期。

在一项新研究中，由英国雷丁大学空间物理学教授Mathew Owens领导的一个研究团队发现，最极端的日冕物质抛射也更有可能在太阳活动高峰期发生。

Owens说：“这些是我们最担心的事情，但它们似乎比过去认为的更具可预测性。”

研究人员查看了150年来地球磁场的扰动情况，挑出了发生过的最极端的日冕物质抛射，并将其与太阳周期进行了比较。从1749年开始，我们经历了24个完整的太阳周期，预计当前的太阳周期将在2024年至2026年间处于活跃阶段。

Owens说，卡林顿事件发生在第10个太阳周期高峰期前约六个月，这与我们的发现一致，从那时起，大约发生了六次被认为是极端的 the geomagnetic storms。

对陆地技术的影响

在地磁暴期间，磁场的变化会在输电线路中感应出电流，从而损坏变压器并导致停电。最严重的事件发生在1989年3月13日，导致加拿大魁北克省六百万人九小时失去电力。

美国国家海洋和大气管理局空间天气预测中心首席科学家Howard Singer表示，由于我们对技术的依赖程度越来越大，对社会的影响也可能更大。“可能受到空间天气影响的技术系统数量还在不断增长。”

Singer指的是60,000名空间天气产品订阅者，其中一些人依靠空间天气预报和警报来做出明智的决定；例如，决定何时不安排电网维护，或何时需要重新规划飞越极地地区的航班。空间天气甚至会影响农民，他们使用GPS等技术来帮助决定如何更好地管理作物。

技术系统的互联性使得社会特别容易受到大型地磁暴的影响，因为停电可能会扰乱基本商品和服务的供应。Singer说：“极端事件是罕见的，但当它们发生时，我们最好做好准备。”

预测日冕物质抛射是否会朝向地球的一个主要工具是日冕仪——一种可以阻挡太阳光球层光线的仪器，以便观察日冕和日冕物质抛射。最快的日冕物质抛射在离开太阳后一天内到达，可能需要四天才能到达地球。

对卫星、航天器和宇航员的风险

日冕物质抛射也可能对太空中的卫星和航天器构成风险，因为电荷可能会积聚在表面和电子设备内部。

然而，监测太阳日冕物质抛射并工程化设计以应对空间天气潜在影响的努力并非没有回报。

今年早些时候，美国宇航局观测到4月17日太阳上发生了一次日冕物质抛射，预计将影响到“毅力号”火星直升机进行第二次飞行时。

美国宇航局空间物理学研究员Alexa Halford说：“我们很高兴能够预警即将到来的事件。我们为保护我们的卫星和航天器做了很多工作，但这是一种新型技术，所以直到在实际中测试过，你才真正知道它是否完美。”

Halford说，工程安全措施加上空间天气预测，还可以帮助减少宇航员暴露于日冕物质抛射可能引起的辐射。“当我们考虑载人太空探索时，我们想知道我们将面临什么，就像你打包去另一个地方度假一样。”

就空间天气而言，日冕物质抛射会产生地球表面及以上最极端的事件。自卡林顿事件以来，科学家在预测极端事件何时会影响地球以及如何保护宇航员和仪器方面取得了长足的进步。

Spann说：“我们都生活在太阳的延伸大气层中，所以研究太阳活动的变异性以及对这种变异性的响应，正是日球物理学和空间天气研究的全部意义。”