太阳两极即将反转，这很奇妙，也有些可怕

王晓涛/编译

太阳活动越来越猛烈了。这对极光爱好者来说再好不过，但对通信卫星来说恐怕就是坏消息了。

太阳就要反转了。

每隔大约11年，太阳就会发生史诗般的变化：它的磁极会反转。和地球一样，太阳也有磁南极和磁北极。然而，地球的磁极每几十万年才反转一次，但对太阳来说，这简直是家常便饭。太阳磁极上一次反转是在2013年。因此，太阳的下一次反转近在眼前，很可能就是在2024年的某个时刻开始。

虽然太阳磁极反转听上去像是世界末日即将来临的征兆一样，但实际并不是这样。当太阳磁极反转时，你甚至不一定会注意到。太阳磁场活动周期对地球气候的影响微乎其微。真正的麻烦之处在于太阳磁场反转之前发生的事。

在太阳磁极真正反转之前，太阳表面的磁场活动会日益增强。这其实就是当前太阳的状态。“实际上，我们现在看到的太阳很可能是过去20年里活动最猛烈的。”蒙特利尔大学太阳物理学家保罗 · 夏博诺（Paul Charbonneau）说。

太阳在活动高峰期内展示的是整个太阳系中最为奢华的烟火表演。 “在这个时期，太阳爆发出更多磁能，我们也就可能看到更多太阳耀斑和日冕物质抛射现象，总之就是更多有意思的现象。”夏博诺说。

其中，尤其值得关注的是日冕物质抛射。这种爆发性事件就像是用霰弹枪在整个太阳系内发射物质——也就是“太阳风暴”。太阳风暴抵达地球后完全有能力干扰甚至破坏地外空间中的通信卫星。要知道，因为埃隆 · 马斯克“星链”计划这样的活动越发频繁地发射互联网卫星，现在地外空间中的卫星数量是越来越多了。在比较极端的情况下，太阳风暴甚至能让地面上的部分电网无法工作。

不过，在科学家眼中，太阳活动的剧烈期并不代表危险，反而提供了大量机遇。太阳活动剧烈期为研究人员提供了一个更细致研究太阳的机会，从而更好地朝两大目标迈进。其一，科学家希望能更好地预测太阳风暴何时会严重破坏地球和宇宙飞船。气象学家在预测地球天气方面已经取得了长足进步，天体物理学家也想像他们那样准确地预测空间天气。要是真能实现这个目标，那么太空旅行必然会变得更加安全，这在人们对载人登月、登火计划热情日益高涨的背景下显得格外重要。其二，他们希望能更好地了解太阳神秘的内部情况。那里的表演令人生畏，更好地了解其中的详细情况有助于我们研究宇宙中的其他恒星，并最终为那个终极谜团提供线索：我们人类为什么会出现在这里？

太阳是一块硕大的核动力磁铁

在太阳核心，氢原子聚变成氦原子，同时释放出海量能量。

在核心区之外呢？因为无法直接研究恒星内部，科学家就不太清楚那里究竟发生了什么。毕竟，太阳距我们有1.5亿千米之遥，它表面剧烈而明亮的活动更是掩盖了内部的野兽。

在太陽核心区之外一个叫作“对流区”的区域，太阳核心部分聚变反应过程中释放的海量热量让气体变得过热从而变成等离子体（也就是说气体温度高到带上了电荷）。在地球海洋中，水以大规模对流的方式运动，也就是温度较高的水上升，温度较低的水下沉。地球大气有时产生的巨大喷流原理也是如此。天体物理学家认为，等离子体在太阳内部的运动方式与之类似。

在地球上，空气与水的运动将赤道区域的热量送往两极地区，从而影响天气和气候。太阳上发生的事更加惊人，不仅转运热量，而且还转移电磁效应。

约翰霍普金斯大学应用物理学实验室天体物理学家诺尔 · 拉瓦菲（Nour Rawafi）说：“我们认为，这些等离子体的流动就是强电流的成因。另外，只要有了电流，磁场就来了。”（你在中学时就很可能看过这个演示实验：把导线绕在钉子上，再与电池相连，钉子就变成了磁铁。）

太阳产生磁场的这个过程叫作 “太阳发电机”。这个机制的具体运作细节还有很大一部分是太阳物理学家不知道的，毕竟我们无法直接观测太阳内部。

不过，即便是在太阳表面，我们也能见识到太阳发电机的威力。太阳物理学家、美国国家大气研究中心副主任斯科特 · 迈克因托什（Scott McIntosh）说，要是太阳内部等离子体和磁场的流动不稳定，它们就会跃入太阳表面，这类磁场非常强烈，因而呈现为暗色斑块，也就是研究人员口中的“太阳黑子”，因为它们看起来就像是太阳表面的斑点。

太阳黑子这类高磁场区域就像是给太阳的光和热加了盖子。迈克因托什说，在望远镜中，“相对所在的环境，它们看上去又暗又冷”。（准确地说，太阳黑子的温度仍旧相当高——大约在3600℃左右——同时也非常明亮。只不过，相对太阳表面5500℃的平均温度，太阳黑子显然是“冷”得多。）

在地球上，没有任何现象与太阳黑子类似。如果有，那就会是一部分急流冲出大气层进入太空，遮蔽了下方大陆。于是，宇航员就看不到这些假想中的“地球黑子”之下的地表了。

最近几个世纪中，天文学家一直在用望远镜观测这些太阳黑子，并且注意到了它们的活动模式。每过11年，太阳表面的太阳黑子数量就会达到峰值。在20世纪50年代和60年代，研究人员意识到太阳黑子数量的显著上升意味着太阳磁极即将反转。（2024年4月全美国可见的日全食会因为临近太阳活动周期的峰年而获益。届时，如果你能全程观看这次日全食，就有可能看到太阳大气中发散出来的环状磁场区域。）

然而，在太阳磁极反转之前，就会有怪物从这些太阳黑子中诞生，那就是可怕的太阳耀斑。太阳耀斑极为明亮，本质上是电磁辐射（包括可见光、X射线和紫外辐射）的爆发和日冕物质抛射。

日冕物质抛射也是爆发性事件，将太阳的等离子体和带电粒子抛入太空。之后，这些等离子体和带电粒子会以每秒几十万千米的速度在整个太阳系中穿行。科罗拉多大学博尔德分校宇航工程学教授德洛里斯 · 尼普（Delores Knipp）说，一般而言，日冕物质被抛射出来后，只需3天就能抵达地球。

一旦抵达地球，这些等离子体和带电粒子的影响范围就变得大多了。大多数时候，地球自身的磁场就能让这些太阳风暴偏转。地球磁场就像是一把宇宙级别的伞，将这些如雨点般落下的太阳粒子反弹出去。尼普说：“在其他一些较少出现的情况中，太阳风暴真的可以打开地球磁场，让多得多的能量和物质涌入地球。等到这类事件发生时，我们就很可能看到它们产生各种各样的影响。”

在比较温和的情况下，太阳风暴可能会让地球低纬度地区发出更加美丽动人的极光。极光是来自太阳的带电粒子与我们地球大气层中的气体相撞后发生的现象。在地球两极地区，磁场强度最低，散射太阳风暴的能力最差，这就是为什么极光一般在两极地区或附近出现。不过，极光偶尔也会发生在更靠近赤道的区域，甚至发生在美国本土48州的上空。

要是太阳风暴猛烈的话，就可能造成大量灾难性事件。在太空中，太阳风暴会干扰通信卫星和全球定位系统。在地面上，太阳风暴可能让部分电网失效。正如电的流动可以诱发磁场，磁场也可以诱导出电流。尼普说：“我们的电网对磁场环境的变化很是敏感。”

地球直接暴露在强烈太阳风暴之下的可能性非常低，但不是完全没有。根据美国宇航局的资料，1859年，一场名为“卡灵顿事件”的太阳风暴在太阳活动周期临近峰值时发生，对彼时刚诞生不久的电报系统造成了毁灭性破坏，引发了火灾，阻碍了信息传递。而极光甚至在南至墨西哥城的地区都能见到。伦敦劳埃德银行的风险分析师估计，要是今天发生一场类似的事件，经济损失在万亿量级。

太阳活动的上一个峰年是在2012年，在那期间，科学家发现了数次穿越地球轨道的日冕物质抛射事件：幸运的是，我们的地球并不是这些事件的直接目标。“不过，要是这些爆发性事件击中地球磁场，”布拉德 · 普拉默（Brad Plumer）在2014年写道：“它们可能会诱发强大的地面电流，导致我们的电网过载、变压器失效，进而使整个地区断电。”

2024年是太阳科学的机会年

以上这些都是对太阳这颗恒星运作方式的简要描述，但还是缺少了很多细节。科学家还没有建立关于太阳发电机（太阳内部等离子体和带电粒子的运动积聚磁能的过程）工作原理的完美模型。这意味着，我们仍旧不那么明白为什么有些太阳活动周期要比其他更加猛烈，也无法对此做预测。实际上，目前看来，当前的这个太阳活动周期强度相当高，但按照科学家之前的预测，它应该比实际情况温和得多。

另外，科学家目前也无法预测日冕物质具体何时喷发。此外，他们也仍旧在努力建立预报模型，以预测太阳风暴何时以何种方式抵达地球。

迈克因托什说：“弄清楚太阳在做什么，已经不再只是学术问题，因为它与蓬勃发展的商业航天产业息息相关。”在最近这些年里，环绕地球运行的卫星数量以千为单位爆发式增长。光是埃隆 · 马斯克的星链系统——设计目标是从空间提供互联网服务——就涉及4000多颗卫星。所有这些卫星——再加上通信卫星和全球定位系统的卫星——都会受到空间天气的影响，甚至有可能在太阳风暴中彻底毁坏。

另外，人类越是深入探索宇宙，就越是暴露在危險的太阳风暴之下。例如，人类探索宇宙的主要目标之一火星就没有地球这样的磁场保护罩。“因此，我们越是能细致、全面地观测太阳，就越是能预测宇航员在火星上的情况，进而能更好地保护他们。”迈克因托什说。

好在，在这个太阳周期中，科学家已经掌握了一些做关键观测的设备。

首先是2020年发射升空的欧洲空间局太阳轨道器。顾名思义，这个探测器就是围绕着太阳运行的。它的主要任务是直接观测太阳两极地区，这也是全人类的第一次。拉瓦菲说：“重要的是，太阳两极地区藏着我们认识太阳活动周期的关键秘密。因为极性反转就是在那儿发生的。太阳两极地区发生的事为后续的太阳活动周期埋下了种子。因此，全面了解太阳两极有助于我们预测未来的太阳活动周期。”

其次是2018年发射升空的美国宇航局帕克太阳探测器，它的目标地点是人类探测器有史以来距太阳最近的，距太阳表面不到640万千米。帕克探测器可以穿过太阳抛射出的日冕物质，并且在过程中细致测量这类事件是如何把粒子加速到能够穿越太阳系的程度的。

再次是2019年投入工作的地面设备，位于夏威夷的井上太阳望远镜。这架望远镜拍摄到了人类拍过的最高分辨率的太阳表面图像。

这些新观测设备加入了原来就有的轨道、地面观测队伍。太阳物理学家的梦想是借助这些功能强大的设备见证太阳喷发事件，并通过各大天文台追踪喷发物质在太空中奔向地球的整条运行路径。借助这些功能强大的仪器，科学家就能做出更加准确的预测，就像地球上的气象学家如今大幅提升了预报飓风等灾害的能力一样。

此外，在太阳周期的活跃阶段研究这类爆发现象也有助于科学家研究太阳发电机这头野兽本身。

迈克因托什谈到研究日冕物质抛射或太阳耀斑时说：“这就像是一座冰山，基本上，你只能瞥见整个机器的一小部分。因此，你必须根据这些太阳风暴做出推断，进而理解这个大机器在宇宙环境下究竟做了什么。”

研究清楚这台大机器非常重要。

迈克因托什说：“很多人都开过这样的玩笑。在太阳物理学领域，唯一一个获得诺贝尔奖的机会就是终于研究清楚它的发电机制。”之所以这么说，一部分原因是：太阳是一颗相当普通的恒星，光是在我们的银河系就有数十亿颗与之类似的恒星。所以，如果科学家能够研究清楚它的运作机制，相关知识就立刻呈指数式上升：他们突然就更深入一些地明白了全宇宙数不清的恒星是怎么运作的。迈克因托什说：“太阳的运作机制极不可能是独一无二的，但它就在我们家门口。”

知道太阳运作机制之后，甚至还能知晓一些更重大问题的答案。毕竟，生命之所以能出现在地球上，仰仗的完全是太阳提供的能量。要是太阳的活动强度高一些，或者地球的磁场保护罩弱一些，生命可能就不会出现了。因此，理解我们恒星的运作方式就是解开生命起源之谜的关键拼图——不仅是地球生命，而且还有其他恒星周围可能存在的所有生命。

拉瓦菲说：“我们正努力研究人类是不是宇宙中的特例，研究宇宙是否到处都是生命。”要想彻底回答这个问题，就一定要看看其他恒星的情况。然而，与此同时，只是研究我们自己的恒星就对研究全宇宙的恒星大有帮助，这就是天文学的奇妙之处。

资料来源 Vox

本文作者布莱恩 · 雷斯尼克（Brian Resnick）是一名科学作家、编辑