2023年4月23日,地球遭遇了一场意外强烈的太阳风暴,这场风暴让科学界和公众大开眼界。风暴造成的剧烈效果使得南部德克萨斯州也能目睹绚丽的极光。
这场干扰的源头是一种称为日冕物质抛射(CME)的现象,CME是从太阳表面释放出的能量粒子和磁场的云。令人意外的是,这场CME的发生是在一场相对较弱的太阳耀斑之后,科学家们本以为只会引发小范围的干扰,然而风暴的强度远超预期。
对风暴强度的研究
为了探寻这场风暴强度背后的原因,来自美国国家航空航天局(NASA)和其他空间机构的研究人员进行了深入的研究。根据《天体物理学杂志》上发表的一项研究显示,CME相对于地球的方向是影响风暴强度的关键因素。研究发现,CME源头附近有一个大型日冕孔,日冕孔是太阳风以高于正常速度流动的区域,这一现象对CME的运动产生了影响。
由约翰霍普金斯应用物理实验室的Evangelos Paouris领导的研究指出,来自日冕孔的快速太阳风像空气流动一样,改变了CME的路径,使其更接近地球的轨道平面,从而引发更强烈的交互,增强了与地球磁场的作用。研究结论显示,CME的磁场与地球相反的方向,使得更多的太阳能量流入地球大气层,从而放大了风暴的效果。
对地球热层的影响
在2023年4月的这场太阳风暴期间,NASA的GOLD(全球观测边缘和盘面)任务提供了另一个有趣的见解。GOLD的太空探测器测量了地球热层的温度,此层位于地表85到120英里(137到193千米)以上。测量结果显示,风暴期间温度飙升,随后又骤降。风暴结束后,热层的温度下降了90至198华氏度,从约980到1070华氏度下降到870到980华氏度的范围。这样的降温效果前所未有,也是首次在强烈地磁事件后观察到如此大范围的温度下降。
科罗拉多大学的Xuguang Cai指出,此次温度下降具有重要意义,因为它影响到卫星和太空垃圾的行为。较低的温度使热层收缩,降低了卫星高度的密度,最终减少了空气阻力。这意味着,卫星和太空垃圾的在轨时间可能大大延长,从而提高了在太空中发生碰撞的风险。
新技术的应用
对于太阳风暴的全面了解并不仅仅是学术兴趣,准确预测CME对地球的影响对保护太空基础设施至关重要,比如卫星、全球定位系统和通信网络。为提高这些预测的准确性,NASA正在寻求机器学习技术的帮助。新的技术GeoCME利用人工智能识别 NASA 的SOHO(太阳与日冕观测卫星)捕捉的CME图像中的模式。
GeoCME 通过历史 CME 数据进行训练,能够预测 CME 引发地磁风暴的可能性。该系统在预测21个CME的结果方面表现出remarkable的准确性,并正确识别出了绝大部分非地磁有效事件。NASA戈达德航天中心的太阳物理学家Jack Ireland对机器学习在改善CME预测方面的潜力表示乐观。
提前警报的重要性
2024年5月的地磁超级风暴,超过20年来最强的一次,再次强调了实时预测太阳风暴的重要性。在这次事件中,NASA的STEREO(太阳地球关系观测卫星)在测量经过地球的CME的磁构造方面发挥了关键作用。研究发现,位于靠近太阳的STEREO-A可以比传统的拉格朗日点1(L1)监测点提前两小时发出警报的可能性。
图片源于:dailygalaxy