太阳气象预报

孙文德

在美国科罗拉多州空间环境服务中心的一座大楼里，深藏着一些毫不引人注意的卫星天线。进进出出的技术人员中有不少人穿着美国空军的服装，日夜不停地接收着“天气”预报。只不过，他们是从事太阳天气预报的太阳观测师，对科罗拉多州绚丽多彩的天气不感兴趣，却整天目不转睛地盯着一台台计算太阳上天气变化的计算机监视器，不停地审视着从美国、欧洲、日本的政府和军方1400个研究太阳气象的数据提供单位源源不断发来的重要信息。它们探测的是来自太阳的电磁风暴。宇航员和飞机上的乘客受这些强烈电磁波的辐射，健康就会受到损害。这些电磁风暴也会影响旅客通话的手机和飞行中的人造卫星，甚至有可能摧毁变压器和电力网。

因此，来自每个重要的人造卫星、射电望远镜或太阳观测站的数据，对于空间环境服务中心的太阳气象预报人员来说都是有用的。空间环境服务中心是美国国家海洋及大气管理署和美国空军的前哨站点。它全天24小时工作，旨在设法屏蔽或过滤掉太阳辐射中最有害的部分，使太阳气象学家们能整天安全地注视着他们的“猎物”。太阳预报员们所追踪的，有些仅仅是由波形线条组成的从太阳蒸发出来的叫做太阳风的带电粒子流。

当然，太阳技师们所关注的是太阳整体而不是叙述它的美丽。他们注视着叫做太阳黑子的小斑点。与地球上的飓风不同，这些斑点区域没有名称，只有编号。前不久的一天早晨，技术人员注视着的是编号为AR8739和AR8742的两个活动区域。太阳预报者们为什么专注于太阳表面的这种“黑痣”呢?因为太阳就将到达其11年活动周期的顶峰。太阳看上去是在稳定地发光，但每隔11年，它会像一口沸腾的大锅一样，烟气滚滚，飞沫四溅。

1989年3月，太阳一个活动区域AR5395的爆发，导致加拿大魁北克省供电中断达9小时之久，使600万人在黑暗中冷得瑟瑟发抖。那时正值前次太阳活动周期的高峰，在美国和瑞典也都发生了断电事件。新泽西州一座核电站的变压器被彻底破坏，不得不换装一台新的变压器。

那时，高级太阳预报技师加里·赫克曼是空间环境服务中心的管理人员，他正在为预报工作台配备人员。那时和现在一样，预报工作台就像一个票据交换所，什么事情都通过电话联系，白天黑夜都有人守在电话机旁。从1965年开始就干起预报太阳气象的赫克曼，当时接到来自加拿大北极地区一个军官的电话：“太阳真的出现了一个大耀斑。我们正在受到太阳风暴的袭击，但确切时间难以预测。”

1989年的太阳风暴事件使空间环境服务中心启用了对地静止环境监测卫星。果然，该卫星很快便探测到自太阳涌来的强烈X射线。更多的耀斑出现了，其中的一个竟持续12小时，这是从未有过的。“这就如同在一个地方观看到了连续几个小时不断的闪电，”赫克曼说：“许多人试图了解这次耀斑的出现对人造卫星、信息渠道、导航系统以及其他各方面会带来哪些问题。在预报中心，我们超负荷地工作，接待这些访问。这类询问持续了半个月之久。与此同时，空间跟踪操作人员给所有空间位置出现偏差的人造卫星进行了重新定位。”这时，为了预防出事，各有关工业企业也做了不少的准备工作。

由于太阳内部活动的复杂性，我们又缺乏足够的信息，太阳气象的预报不可能总是像预报地球上的天气那样准确。空间环境服务中心的预报人员虽然小心谨慎，但仍漏报过较大的事件，也偶尔出现过错误的预报。

正如太阳预报工作领导人乔·孔切斯指出的那样，太阳爆发除了可能导致在两极区域出现宏伟壮观的极光外，在绝大部分时间里对地球没有直接的影响，但当太阳活动达到最高潮时，太阳周期性变化的磁场强度达到峰值。历史清楚地记载着地球上所发生的一切灾害。一个特殊的太阳活动区域会突然向地球方向喷射出几千亿吨的物质和足以导致电力网瘫痪的巨大能量，这种大规模的太阳事件被称为日冕物质抛射。虽然这种可怕的偶发事件出现的概率不大，但太阳耀斑、太阳黑子和冕洞都会将物质或能量甚至将两者同时向我们抛过来。在正常情况下，太阳每秒发射出的能量为4×1023千瓦，其中许多能量是我们的肉眼所看不到的。如果把它们都变成“能看见的”，那么太阳的亮度会比现在亮上100亿倍。在活动达到峰值时，它还要通过电磁波谱(X射线、电子、质子、中子、伽马光子)增加其能量输出。例如，在正常情况下，太阳风的传播速度为每小时约160万千米，估计在2000年太阳活动最剧烈时可以达到上述速度的3倍。

为了尽量减少这场太阳风暴所造成的影响，科罗拉多州的太阳观测师和太阳气象预报工作者们通过热线电话、传真机、电子函件和网页，与最易在太阳风暴中遭受损失的单位保持着密切的联系。熟练的技术人员知道，太阳磁性活动最强的时间可能要持续好几年，但究竟多长，则不可能像计算日蚀那样给出准确的答案。

虽然对太阳事件的预报能力还有种种缺陷，但比之最初的太阳黑子寻觅者们来说还是大有进步了。公元前800年，中国人便有了关于太阳黑子的记录，但限于观测设备，未能对太阳黑子做出精确的研究 。直到欧洲文艺复兴时期，意大利科学家伽利略和另三位欧洲人才用望远镜看到了日面上的斑点。但当时对此仍有争议，因为中世纪的欧洲流行着古希腊哲学家亚里士多德的观点——太阳是一个不变的、没有任何缺陷的火球。17世纪初叶与伽利略同时代的科学家们更愿意相信太阳是没有瑕疵的，但太阳黑子的真实存在却很快被大家接受了。1947年拍摄到的最大的太阳黑子的面积达180亿平方千米，足以遮住40个地球。即使是一般的太阳黑子，也与地球上的一个大陆不相上下。

太阳黑子的温度比它们邻接的太阳表面的温度约低1800℃，因而显得暗些。它们的实际温度约为4200℃，是太阳上面最冷的场所。但是每个黑子和其他太阳现象的关键都是电磁现象，和地球一样，带着电自转的太阳被包裹在一个茧状的环形磁场内。有的磁场围绕着太阳，其他的则存在于太阳大气内。在11年的太阳活动周期内，有一个科学家们还不能解释的时期，此时一些磁力线将它们自己向外推，穿过人们可以见到的太阳大气的主要层次——光球层。

“太阳黑子之所以暗黑，是由于磁场抑制了光球深处的热量通过对流向上传输而形成的。”克雷格·德福雷斯特这样解释。他是绕太阳飞行的太阳日光层观测器卫星的常驻观测者，“那些突然出现的磁力线是肉眼看不见的，但它们刺穿和重新进入光球层之处是看得见的，这是因为在这些地方，日常的太阳活动过程不那么光焰十足。”

德福雷斯特说，太阳黑子是成对出现的，酷似磁棒。如果一对黑子中的一个呈北磁极性，那么另一个则是南磁极性。它们为什么和怎样形成如此的排列呢?“坦率地说，对于太阳的有些问题我们还弄不清楚。”他如是说。最惊人的发现之一是喷射，即气流。在太阳表层的下面有几万千米长的气体在缓缓流动，这可能有助于说明，在太阳内部某些汹涌澎湃的却是我们看不见的周期性对流，同清晰可见的太阳表面的磁场的不规则现象(如太阳黑子)之间是有联系的。

德福雷斯特说，了解太阳内部结构的另一个线索可能不是它的发光情况，而是其响度。太阳像一口敲响的钟一样在鸣响，振动来源于其汹涌澎湃的内部。“太阳确实在以声波的形式振荡，而且会突然激荡起近100万种不同的声音。声波来源于光球层下面对流层内气体对流的激励，而气体对流是异常喧闹的。”由于对流的结果翻腾到光球层，在太阳表面表现为无数的光粒状组织，“这些‘火粒有如美国德克萨斯州那样大，不停地翻滚并会在5分钟内消失，那种情景是嘈杂的。”

现在我们回到寂静的空间环境服务中心。当白天的太阳气象咨询工作完毕以后，研究人员还是轻松不起来，他们正在为地球未来的命运而困扰着。一位研究人员指着一个太阳黑子说：“我们的任务是分析它的磁性结构，当然，这几乎是不可能的，但我们要尽力去做。”达不到目的不是他们的过错，因为大部分数据是在地球上收集的，而太阳的活动过程是不可预见的。