2024 年的这场大太阳风暴发生时你在哪里？这场太空天气事件于 5 月 10 日的周末由太阳的多次爆发引发，是二十多年来最强的地磁暴。当这些爆发冲击地球时，它们将大量的粒子和辐射注入地球高层大气，扰乱了电网、电信、航空旅行和 GPS 服务。但这些不利影响几乎没有引起注意，因为它们被风暴的另一种产物所掩盖：壮观的极光从两极延伸到较低纬度，以可能是过去 500 年来最强烈的景象让全球数百万观众眼花缭乱。
尽管这些极光占据了大多数头条新闻，但在某些方面，它们是这次事件最不值得报道的方面。更重要——也更少被重视——的是我们是如何安然度过这场风暴的：尽管这场风暴是近几代人袭击地球的最强风暴，但我们经历的负面影响相对较小。
当然，这场风暴本可能更糟——更强大的风暴似乎在过去反复袭击我们的星球。但我们这次的安全并非仅仅是幸运。正如俗话所说，好运眷顾有准备的人——公共和私营部门的科学家和工程师一直在为严重的太空天气事件做准备。
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美国国家航空航天局（NASA）和其他航天机构目前使用一支规模庞大的航天器舰队研究和监测太阳，许多国家也通过专门的地面望远镜密切关注我们的恒星。美国国家海洋和大气管理局（NOAA）等政府机构使用来自这些太阳哨兵的数据来生成太空天气预报，许多其他实体——电力公司、卫星运营商、航空公司等——在其日常业务中都依赖这些预报。
为了更好地了解这场历史性风暴期间发生了什么、专家们如何应对、我们仍然脆弱的地方以及我们的恒星接下来可能有哪些爆发，《大众科学》采访了美国国家航空航天局（NASA）华盛顿特区总部太阳物理学部门现任主管乔·韦斯特莱克。
[以下是采访的编辑稿。]
您本月早些时候看到那些壮观的极光了吗？
没有，我们在[华盛顿]特区这里阴云密布，这真的很令人失望。但我看到了很多照片！
我所在的地方也一直阴天。但即使没有极光，这次事件仍然是历史性的，对吗？
是的。所有的照片都是这点的证明。自从智能手机出现以来，我们还没有遇到过这样的地磁暴。上次发生如此规模的风暴是在 2003 年。那时我们有手机，但它们与我们今天拥有的手机不可同日而语。我们没有像 SpaceX 的星链那样拥有数千颗通信卫星的巨型星座。在许多方面，现在的太空天气情况与上次完全不同。
很高兴你提到了这一点。自从上次发生这样的风暴以来，世界已经发生了很大变化——不仅有更多的智能手机和数码相机，还有更多需要保护的关键基础设施，对电网的需求也更高，等等。你会认为我们现在更容易受到这类事件的影响。当然，几十年来，我们一直听说巨大的太阳爆发袭击地球会带来地磁暴的危险。因此，令人惊讶的是，我们似乎安然度过了这次风暴。发生了什么？您是否担心我们会因此而产生虚假的自满情绪？
坦率地说，是的，我一直对此感到非常担忧——担心会发生坏事，也担心如果坏事没有发生，那么非常真实的风险将被忽视。不忽视这些风险是我们为这次[风暴]做好充分准备的原因。负责运营和保护关键基础设施的人员确实认真对待太空天气。证据就在眼前，对吧？所有这些似乎都很平静——大多数新闻报道都集中在美丽的极光，而不是大规模停电或通信中断——这表明我们做对了。我说的“我们”不仅仅是指美国国家航空航天局（NASA），还包括美国国家海洋和大气管理局（NOAA）的所有人员，特别是太空天气预测中心的人员，他们整个周末都在 24/7 全天候工作，以及所有其他帮助保持关键基础设施安全的人员。
所以我们安然无恙地度过了难关？
嗯，或多或少是这样，但我们还没有看到所有影响。在地面上，地磁暴会加剧电网组件的磨损，因此可能会导致维修和更换计划发生变化，诸如此类的事情。当这些太阳高能粒子爆发冲击我们时，它们会压缩地球磁场，但也会导致高层大气膨胀，变得更稠密、更热。因此，低地球轨道上的卫星可能会受到更大的阻力，并因这种膨胀的大气层而损失更多高度；这些太阳风暴会影响这些卫星在轨道上停留的时间。例如，两年前的一场太阳风暴导致几颗 SpaceX 星链卫星未能到达正确的轨道。对于更高的轨道（如地球同步轨道）来说，这不是问题，但那里的卫星有另一个问题：当地球磁层被压缩时，它可能会缩小到低于它们所在的位置，它们会直接暴露在更恶劣的行星际环境中的太空天气事件中。
我们在太阳物理学领域的研究使我们对太阳和太空天气的理解达到了前所未有的水平。当然，我们在预测能力方面仍有许多工作要做——例如，我们对这次风暴的一些预测过于保守了。但在运行方面，早在太阳黑子区域爆发耀斑并引发这场风暴的几天前，我们就已经看到它有可能造成一些真正的混乱，并且我们已经将其标记为需要密切关注的对象。然后，是的，它产生了七次日冕物质抛射 (CME)，当这些抛射向外传播时，它们合并成两个不同的波阵面，两个巨大的粒子波以快速连续的方式撞击地球。我们已经为此做好了准备。公众得以欣赏到一些令人惊叹的极光，而没有发生大停电或通信中断或其他有害的副作用。
这不仅仅是为了确保地球上的人们安全。美国国家航空航天局（NASA）实际上并没有进行太空天气预报，尽管我们的航天器和卫星为美国国家海洋和大气管理局（NOAA）和其他机构提供了大量数据用于预报。但美国国家航空航天局（NASA）确实有计划将更多人类送上月球，最终送上火星，这两项计划都涉及宇航员在地球磁层保护罩之外花费大量时间。因此，对于美国国家航空航天局（NASA）来说，太阳物理学不仅仅是纯粹的基础研究；我们必须确保宇航员的安全。如果我们没有密切关注太阳，做到这一点会更加困难。
但我们确实密切关注着太阳，对吗？太阳是我们最了解的恒星，远远超过其他恒星。我们有地面望远镜和航天器舰队全天候关注和监测它。我可以随时从美国国家航空航天局（NASA）的太阳动力学观测站调出大量太阳图像，这些图像似乎来自无数不同的波长。我们有美国国家航空航天局（NASA）的帕克太阳探测器，它已经“接触”了太阳，对其外层大气和太阳风进行了采样，并计划在 12 月 24 日最接近我们的恒星。我们从欧洲航天局的太阳轨道飞行器以及地面上的国家科学基金会的丹尼尔·井上太阳望远镜获得了华丽的高分辨率太阳图像。而这仅仅是三个最大、最新的设施——还有更多！我想我的（有点不公平的）问题是：多少才算足够？我们还需要什么？
让我问你一个问题：你是否会乘坐飞行员说“我正在使用《老农年鉴》的天气预报，我们会没事的！”的飞机？可能不会，对吧？嗯，这基本上就是我们现在在太空中所做的事情。我们正在向一个我们没有我们想要的那样好的天气预报的区域发射东西。我们的模型基于不完整的数据和 11 年太阳活动周期的多次迭代。但随着我们的基线变得更长，我们能够更好地看到每个太阳周期都是不同的。例如，如果你看看上一个太阳周期，哇，它简直是个失败者。而这一个却很猛烈。
这只是我们仍在学习的事情的一个例子。另一个例子是日冕加热问题，即太阳外层大气比其可见表面温度高得多的物理学原理。我们正在帕克太阳探测器的帮助下朝着理解这一点取得良好进展，就像您提到的最接近的一次飞掠一样。我们想了解这种联系，因为这最终是日冕物质抛射爆发并到达地球和其他行星的方式的一部分。
此外，那些用耀斑和日冕物质抛射轰击我们的太阳黑子区域随后旋转到视野之外，这使我们脱离了火线，但也意味着我们在一段时间内看不到它。我们不确定当太阳自转将它们带回与地球对齐的位置时，它们是否仍然存在并且仍然如此愤怒。不过，我们能够从火星上航天器的多次测量中看到它们在视野之外的影响，因为这些区域朝那个方向旋转。现在，截至几天前，它们又重新回到视野中，其中一个已经产生了另一个 X 级耀斑。因此，我怀疑我们很快将再次处于这些太阳黑子区域的火线上，并且可能会再次看到一些更壮观的太空天气。
但我们对它们在视野之外的活动的不确定性突显了一个简单的事实，即我们没有我们恒星的完整三维视图。我们可以做出合理的猜测，但我真的不知道太阳的另一面现在是什么样子。而且我们从未真正见过太阳的极地区域，尽管在太阳轨道飞行器调整其轨道以观察其中一些区域后，这种情况可能会在明年发生改变。
我想我们对太阳的关注还不够。天哪，我们一直都认为太阳物理学是理所当然的！
是的。我明白你的意思；你可能会想，“嗯，当然我们有太阳两极的照片！”但如果你考虑到太阳的大小以及我们从地球上有限的视角，这是有道理的。在太阳轨道飞行器到达那里之前，我们只向太阳两极发送过一颗航天器，那是一个名为“尤利西斯”的任务。而尤利西斯没有相机！
而且，再说一遍，这不仅仅是为了完整性本身。我们希望获得太阳的三维、多波长视图，以便更好地了解和预测这些可能造成如此大破坏的太阳黑子区域的行为，无论它们是否与地球或任何其他地方（例如火星）对齐，正如我提到的，当这些区域旋转时，火星位于太阳的另一侧。
但当我们在谈论太阳物理学家想要但没有的东西时，让我们回到你问我的极光。对我来说，它们真的是一个错失的机会，可以了解我们的大气层如何对重大的太阳风暴做出反应。因为每个人看到的极光都是来自太阳的粒子和辐射倾泻到我们大气层中的表现，这会导致许多次级效应。但我们主要只是对这些效应进行了理论研究——事实上，目前，我们没有任何东西可以测量这些在高层大气中发生的事情。如果我们进行多卫星观测，真正看到能量如何在系统中移动，我们就可以回答许多重要的科学和实际问题。
比如什么？
比如，如果这些大型太阳风暴之一袭击地球，并且美国东海岸上空也有大型雷暴在移动——那里是一个高度磁化的陆架——你在那里会看到不同的极光吗？你会得到可能对电网产生更大影响的不同地电流吗？
有人计划执行任务来解决这个问题吗？
现在回答这个问题很棘手。美国国家航空航天局（NASA）多年来一直在研究一项任务概念，即地球空间动力学星座 (GDC)，旨在向我们展示其中一些，研究太阳活动如何影响我们星球的高层大气，以及这反过来又如何影响我们在低地球轨道上的许多卫星。GDC 将着眼于太空天气与地球天气的交汇处——真正落实之处，对吧？这就是我们之前谈到的“天气预报”——GDC 不是《老农年鉴》，而是将为我们提供我们经常运行但目前知之甚少的大气层上层区域的真实情况。
这项任务的想法大约在 2010 年或 2011 年出现，并在 2013 年由一个名为“十年调查”的机构审议和认可，所谓“十年调查”是指一个科学界——在本例中是美国太阳物理学家——聚集在一起，为美国国家航空航天局（NASA）和其他联邦机构可以遵循的建议和路线图。因此，GDC 是一项美国太阳物理学家认为重要的任务，也是一些人花费了大部分职业生涯进行开发和准备的任务。
[美国]总统的预算提案在 2025 财年[联邦年度]将这项任务的资金削减为零。但我相信我们的社区会为我们如何继续推进这项任务提供指导。十年调查是我最重视的。而下一个太阳物理学十年调查报告可能会在今年夏季或秋季发布。
明白了。您还有什么要补充的吗？
您早些时候提到认为太阳物理学是理所当然的，这让我想起最近学到的一件有趣的事情。事实证明，“太阳物理学”甚至不被任何标准参考词典认为是具有实际定义的真实词汇。[韦氏词典]或 [牛津英语词典] 或任何类似词典中都没有这个词。它根本不存在。我每天输入几十到几百次，每次都会在下面画一条红色的波浪线。“Bootylicious”这个词都在词典里，但“太阳物理学”却没有。拜托……！现在是我们让它更正式的时候了。
我完全赞成。但要做到这一点，你需要有一个实际的定义。你的定义是什么？
这很容易。“太阳物理学”是对太阳及其所触及的一切事物的研究——包括行星之间的空间以及它如何根据我们的恒星而变化。而且由于太阳基本上触及一切事物，这也承认了太阳对我们日常生活的各种重要影响。