2024 年的這場大太陽風暴發生時你在哪裡？這場太空天氣事件於 5 月 10 日的週末由太陽的多次爆發引發，是二十多年來最強的地磁暴。當這些爆發衝擊地球時，它們將大量的粒子和輻射注入地球高層大氣，擾亂了電網、電信、航空旅行和 GPS 服務。但這些不利影響幾乎沒有引起注意，因為它們被風暴的另一種產物所掩蓋：壯觀的極光從兩極延伸到較低緯度，以可能是過去 500 年來最強烈的景象讓全球數百萬觀眾眼花繚亂。
儘管這些極光佔據了大多數頭條新聞，但在某些方面，它們是這次事件最不值得報道的方面。更重要——也更少被重視——的是我們是如何安然度過這場風暴的：儘管這場風暴是近幾代人襲擊地球的最強風暴，但我們經歷的負面影響相對較小。
當然，這場風暴本可能更糟——更強大的風暴似乎在過去反覆襲擊我們的星球。但我們這次的安全並非僅僅是幸運。正如俗話所說，好運眷顧有準備的人——公共和私營部門的科學家和工程師一直在為嚴重的太空天氣事件做準備。
支援科學新聞報道
如果您喜歡這篇文章，請考慮透過以下方式支援我們屢獲殊榮的新聞報道 訂閱。透過購買訂閱，您正在幫助確保未來能夠繼續講述關於塑造我們當今世界的發現和想法的具有影響力的故事。
美國國家航空航天局（NASA）和其他航天機構目前使用一支規模龐大的航天器艦隊研究和監測太陽，許多國家也透過專門的地面望遠鏡密切關注我們的恆星。美國國家海洋和大氣管理局（NOAA）等政府機構使用來自這些太陽哨兵的資料來生成太空天氣預報，許多其他實體——電力公司、衛星運營商、航空公司等——在其日常業務中都依賴這些預報。
為了更好地瞭解這場歷史性風暴期間發生了什麼、專家們如何應對、我們仍然脆弱的地方以及我們的恆星接下來可能有哪些爆發，《大眾科學》採訪了美國國家航空航天局（NASA）華盛頓特區總部太陽物理學部門現任主管喬·韋斯特萊克。
[以下是採訪的編輯稿。]
您本月早些時候看到那些壯觀的極光了嗎？
沒有，我們在[華盛頓]特區這裡陰雲密佈，這真的很令人失望。但我看到了很多照片！
我所在的地方也一直陰天。但即使沒有極光，這次事件仍然是歷史性的，對嗎？
是的。所有的照片都是這點的證明。自從智慧手機出現以來，我們還沒有遇到過這樣的地磁暴。上次發生如此規模的風暴是在 2003 年。那時我們有手機，但它們與我們今天擁有的手機不可同日而語。我們沒有像 SpaceX 的星鏈那樣擁有數千顆通訊衛星的巨型星座。在許多方面，現在的太空天氣情況與上次完全不同。
很高興你提到了這一點。自從上次發生這樣的風暴以來，世界已經發生了很大變化——不僅有更多的智慧手機和數碼相機，還有更多需要保護的關鍵基礎設施，對電網的需求也更高，等等。你會認為我們現在更容易受到這類事件的影響。當然，幾十年來，我們一直聽說巨大的太陽爆發襲擊地球會帶來地磁暴的危險。因此，令人驚訝的是，我們似乎安然度過了這次風暴。發生了什麼？您是否擔心我們會因此而產生虛假的自滿情緒？
坦率地說，是的，我一直對此感到非常擔憂——擔心會發生壞事，也擔心如果壞事沒有發生，那麼非常真實的風險將被忽視。不忽視這些風險是我們為這次[風暴]做好充分準備的原因。負責運營和保護關鍵基礎設施的人員確實認真對待太空天氣。證據就在眼前，對吧？所有這些似乎都很平靜——大多數新聞報道都集中在美麗的極光，而不是大規模停電或通訊中斷——這表明我們做對了。我說的“我們”不僅僅是指美國國家航空航天局（NASA），還包括美國國家海洋和大氣管理局（NOAA）的所有人員，特別是太空天氣預測中心的人員，他們整個週末都在 24/7 全天候工作，以及所有其他幫助保持關鍵基礎設施安全的人員。
所以我們安然無恙地度過了難關？
嗯，或多或少是這樣，但我們還沒有看到所有影響。在地面上，地磁暴會加劇電網元件的磨損，因此可能會導致維修和更換計劃發生變化，諸如此類的事情。當這些太陽高能粒子爆發衝擊我們時，它們會壓縮地球磁場，但也會導致高層大氣膨脹，變得更稠密、更熱。因此，低地球軌道上的衛星可能會受到更大的阻力，並因這種膨脹的大氣層而損失更多高度；這些太陽風暴會影響這些衛星在軌道上停留的時間。例如，兩年前的一場太陽風暴導致幾顆 SpaceX 星鏈衛星未能到達正確的軌道。對於更高的軌道（如地球同步軌道）來說，這不是問題，但那裡的衛星有另一個問題：當地球磁層被壓縮時，它可能會縮小到低於它們所在的位置，它們會直接暴露在更惡劣的行星際環境中的太空天氣事件中。
我們在太陽物理學領域的研究使我們對太陽和太空天氣的理解達到了前所未有的水平。當然，我們在預測能力方面仍有許多工作要做——例如，我們對這次風暴的一些預測過於保守了。但在執行方面，早在太陽黑子區域爆發耀斑並引發這場風暴的幾天前，我們就已經看到它有可能造成一些真正的混亂，並且我們已經將其標記為需要密切關注的物件。然後，是的，它產生了七次日冕物質拋射 (CME)，當這些拋射向外傳播時，它們合併成兩個不同的波陣面，兩個巨大的粒子波以快速連續的方式撞擊地球。我們已經為此做好了準備。公眾得以欣賞到一些令人驚歎的極光，而沒有發生大停電或通訊中斷或其他有害的副作用。
這不僅僅是為了確保地球上的人們安全。美國國家航空航天局（NASA）實際上並沒有進行太空天氣預報，儘管我們的航天器和衛星為美國國家海洋和大氣管理局（NOAA）和其他機構提供了大量資料用於預報。但美國國家航空航天局（NASA）確實有計劃將更多人類送上月球，最終送上火星，這兩項計劃都涉及宇航員在地球磁層保護罩之外花費大量時間。因此，對於美國國家航空航天局（NASA）來說，太陽物理學不僅僅是純粹的基礎研究；我們必須確保宇航員的安全。如果我們沒有密切關注太陽，做到這一點會更加困難。
但我們確實密切關注著太陽，對嗎？太陽是我們最瞭解的恆星，遠遠超過其他恆星。我們有地面望遠鏡和航天器艦隊全天候關注和監測它。我可以隨時從美國國家航空航天局（NASA）的太陽動力學觀測站調出大量太陽影像，這些影像似乎來自無數不同的波長。我們有美國國家航空航天局（NASA）的帕克太陽探測器，它已經“接觸”了太陽，對其外層大氣和太陽風進行了取樣，並計劃在 12 月 24 日最接近我們的恆星。我們從歐洲航天局的太陽軌道飛行器以及地面上的國家科學基金會的丹尼爾·井上太陽望遠鏡獲得了華麗的高解析度太陽影像。而這僅僅是三個最大、最新的設施——還有更多！我想我的（有點不公平的）問題是：多少才算足夠？我們還需要什麼？
讓我問你一個問題：你是否會乘坐飛行員說“我正在使用《老農年鑑》的天氣預報，我們會沒事的！”的飛機？可能不會，對吧？嗯，這基本上就是我們現在在太空中所做的事情。我們正在向一個我們沒有我們想要的那樣好的天氣預報的區域發射東西。我們的模型基於不完整的資料和 11 年太陽活動週期的多次迭代。但隨著我們的基線變得更長，我們能夠更好地看到每個太陽週期都是不同的。例如，如果你看看上一個太陽週期，哇，它簡直是個失敗者。而這一個卻很猛烈。
這只是我們仍在學習的事情的一個例子。另一個例子是日冕加熱問題，即太陽外層大氣比其可見表面溫度高得多的物理學原理。我們正在帕克太陽探測器的幫助下朝著理解這一點取得良好進展，就像您提到的最接近的一次飛掠一樣。我們想了解這種聯絡，因為這最終是日冕物質拋射爆發併到達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質拋射轟擊我們的太陽黑子區域隨後旋轉到視野之外，這使我們脫離了火線，但也意味著我們在一段時間內看不到它。我們不確定當太陽自轉將它們帶回與地球對齊的位置時，它們是否仍然存在並且仍然如此憤怒。不過，我們能夠從火星上航天器的多次測量中看到它們在視野之外的影響，因為這些區域朝那個方向旋轉。現在，截至幾天前，它們又重新回到視野中，其中一個已經產生了另一個 X 級耀斑。因此，我懷疑我們很快將再次處於這些太陽黑子區域的火線上，並且可能會再次看到一些更壯觀的太空天氣。
但我們對它們在視野之外的活動的不確定性突顯了一個簡單的事實，即我們沒有我們恆星的完整三維檢視。我們可以做出合理的猜測，但我真的不知道太陽的另一面現在是什麼樣子。而且我們從未真正見過太陽的極地區域，儘管在太陽軌道飛行器調整其軌道以觀察其中一些區域後，這種情況可能會在明年發生改變。
我想我們對太陽的關注還不夠。天哪，我們一直都認為太陽物理學是理所當然的！
是的。我明白你的意思；你可能會想，“嗯，當然我們有太陽兩極的照片！”但如果你考慮到太陽的大小以及我們從地球上有限的視角，這是有道理的。在太陽軌道飛行器到達那裡之前，我們只向太陽兩極傳送過一顆航天器，那是一個名為“尤利西斯”的任務。而尤利西斯沒有相機！
而且，再說一遍，這不僅僅是為了完整性本身。我們希望獲得太陽的三維、多波長檢視，以便更好地瞭解和預測這些可能造成如此大破壞的太陽黑子區域的行為，無論它們是否與地球或任何其他地方（例如火星）對齊，正如我提到的，當這些區域旋轉時，火星位於太陽的另一側。
但當我們在談論太陽物理學家想要但沒有的東西時，讓我們回到你問我的極光。對我來說，它們真的是一個錯失的機會，可以瞭解我們的大氣層如何對重大的太陽風暴做出反應。因為每個人看到的極光都是來自太陽的粒子和輻射傾瀉到我們大氣層中的表現，這會導致許多次級效應。但我們主要只是對這些效應進行了理論研究——事實上，目前，我們沒有任何東西可以測量這些在高層大氣中發生的事情。如果我們進行多衛星觀測，真正看到能量如何在系統中移動，我們就可以回答許多重要的科學和實際問題。
比如什麼？
比如，如果這些大型太陽風暴之一襲擊地球，並且美國東海岸上空也有大型雷暴在移動——那裡是一個高度磁化的陸架——你在那裡會看到不同的極光嗎？你會得到可能對電網產生更大影響的不同地電流嗎？
有人計劃執行任務來解決這個問題嗎？
現在回答這個問題很棘手。美國國家航空航天局（NASA）多年來一直在研究一項任務概念，即地球空間動力學星座 (GDC)，旨在向我們展示其中一些，研究太陽活動如何影響我們星球的高層大氣，以及這反過來又如何影響我們在低地球軌道上的許多衛星。GDC 將著眼於太空天氣與地球天氣的交匯處——真正落實之處，對吧？這就是我們之前談到的“天氣預報”——GDC 不是《老農年鑑》，而是將為我們提供我們經常執行但目前知之甚少的大氣層上層區域的真實情況。
這項任務的想法大約在 2010 年或 2011 年出現，並在 2013 年由一個名為“十年調查”的機構審議和認可，所謂“十年調查”是指一個科學界——在本例中是美國太陽物理學家——聚集在一起，為美國國家航空航天局（NASA）和其他聯邦機構可以遵循的建議和路線圖。因此，GDC 是一項美國太陽物理學家認為重要的任務，也是一些人花費了大部分職業生涯進行開發和準備的任務。
[美國]總統的預算提案在 2025 財年[聯邦年度]將這項任務的資金削減為零。但我相信我們的社群會為我們如何繼續推進這項任務提供指導。十年調查是我最重視的。而下一個太陽物理學十年調查報告可能會在今年夏季或秋季釋出。
明白了。您還有什麼要補充的嗎？
您早些時候提到認為太陽物理學是理所當然的，這讓我想起最近學到的一件有趣的事情。事實證明，“太陽物理學”甚至不被任何標準參考詞典認為是具有實際定義的真實詞彙。[韋氏詞典]或 [牛津英語詞典] 或任何類似詞典中都沒有這個詞。它根本不存在。我每天輸入幾十到幾百次，每次都會在下面畫一條紅色的波浪線。“Bootylicious”這個詞都在詞典裡，但“太陽物理學”卻沒有。拜託……！現在是我們讓它更正式的時候了。
我完全贊成。但要做到這一點，你需要有一個實際的定義。你的定義是什麼？
這很容易。“太陽物理學”是對太陽及其所觸及的一切事物的研究——包括行星之間的空間以及它如何根據我們的恆星而變化。而且由於太陽基本上觸及一切事物，這也承認了太陽對我們日常生活的各種重要影響。