太阳气泡和地磁暴

1997-03-31 07:33陈壮叔
知识窗 1997年2期
关键词:气泡磁场大气

陈壮叔

1989年3月13日凌晨,加拿大魁北克电力公司的控制室内,技术人员正注视着一块模拟板,那是反映电路网运行情况的一个装置。2:44分,模拟板上突然闪出一道辉光,这说明北部区域的电路出了问题,控制系统自动地切断了一条重要输电线路;不到1分钟,模拟板亮起6道闪光,这意味着电路网的电压处于危险的不稳状态。随即电流断路开关触动,1/5的网路脱网,又过了几秒,断电事件像雪崩似的,波及到整个魁北克省。整个网路的断电状态只持续了90秒,给该公司带去1000万美元的损失,而用户的受损情况,是这一数目的10倍。

在事故分析会上,工程师们倍感困惑,因为他们查不到任何人为的因素。既不是设计上有缺陷,也非疏于管理。他们不得不前去请教空间物理学家。才知这是太阳大气惹的祸,是太空气象引起的一场磁灾。

大家知道,地球大气的活动所出现的物理现象,如风、雨、雷暴等,我们统称为气象。类似地,太阳的大气活动,也就引起了太阳系内的太空气象。

太阳的大气称日冕,由于温度很高,根本不存在原子的结构,故其大气是由电子和质子组成的,称为等离子体的气体。这种气体受到太阳磁场的束缚,而被困在太阳的最外层,但还是不断地有少量流出,科学家称它为太阳风。有时,太阳风中夹着巨大的热气泡,它带着太阳的磁场,在空间飞奔。一年中有几次,这种气泡会击中地球,结果是引发一场地磁暴。此时,罗盘的指针急剧地飘动,南、北极的极光疯狂地闪烁,并大大地扩大其活动范围。地磁暴也使得卫星遭殃。1994年,加拿大的一颗通讯卫星,就因此而受害(星上的仪器工作突然紊乱),损失2.5亿美元。但地磁暴施虐的主要受害者,还是输电网路,上述魁北克的那次停电事故,同时也袭击了美国的新泽西州和宾夕法尼亚州的网路。

近30年来,空间物理学家一直在研究太空气象。这种太阳气泡与地磁场的相互作用过程很复杂,但他们还是找到了其中具有规律性的东西。因而太空气象也是可预测的。

这种热气泡有几十亿吨重,由此可见它的巨大。它以1000公里/秒的速度飞奔,携带着惊人的能量,足可把她中海之水一下煮干。打在地球上的,只是泡的一小部分,它跟地磁场相碰而激发出能量巨大的地磁暴。

是什么原因使太阳偶尔喷发气泡的呢?目前主要的理论认为,日冕的温度有200万F,若不是太阳磁场的管束,早就跑光了。不过太阳磁场时有变化,一旦变弱,大团等离子气体,就像脱缰野马,迅猛窜出。但气泡飞到地球,并不一定产生灾难,这得看气泡的磁场取向。若与地磁场一致,则两者相安无事;若正好相反,那就发生一场磁灾。在此情况下,就如两根磁极相反的磁条相互靠拢,最终必猛烈相吸,拼发出巨大的能量。不过实际上气泡的磁场取向是混乱的,且还有其他一些可变因素,决定气泡跟地磁场相互作用的过程。总的来说,这些都有随遇性。

由于影响太空气象与地磁场相互作用的因素颇多,且是变化着的,所以对太空气象的预测时间量无法提前很多。要想作出精确的预言,必须具备二个条件。首先,要有一个关于地磁暴过程的详细模型.第二必须进行一些关键性的测量。最近,物理学家贝克,提出了一个较好的模型,专家们按此模型,对过去的测量数据作出预测,结果跟历史上发生的地磁暴的情况完全吻合。

美国国家大气和海洋管理局(NOAA)也在研究太空气象,他们企图通过观测气泡在日面上的形成,来预测地磁暴。研究者使用了射电、光学和X射线望远镜,寻找气泡脱离太阳的线索,因为当气泡离开时会发出射电暴。从这一点开始,他们可测量其速度。并计算出到达地球的大概时间,一般来说,一个泡飞至地球,约需2~3天。若他们看到的气泡较大,足以引起地磁暴.那么就可在当天发出警报。

一般作出的预报虽然提前时间较早,但其可靠性却差,正确率仅50%。因气泡的磁场方向在运动中无法确定,一直要到它飞至地球外层空间时,才能定出。

这样看来,想要精确预报,必须在近距离上观测泡的状态。可喜的是美国宇航局也投入这一研究,它打算部署二颗卫星以供测量。第一颗卫星名“风”,已于1994年升空,将于1997年进入预定轨道,它离地面160万公里,太阳和地球的引力,在这里正好完全抵消。它将测量气泡的密度、速度和磁场程度,并能在气泡与地磁场相碰前一小时,发出预报。不要小看这一时,魁北克公司若事先得悉此情。那么它的1000万美元就可保住了。

不过“风”是一颗研究用卫星,它仅运行一年,且每天只有二小时向地球发回信息。若有气泡在这“二小时”以外袭来,它是不理睬的。第二颗是专门的气象卫星,称之ACE,将于1997年发射,并即进入上述轨道与“风”会合。它将提供24小时服务,美中不足的是它只工作三年。这二颗卫星的投入运行,对太空气象事业无疑是一个推动。当专家们谈及此事,他们似乎面带愁云。他们说,目前无论在太阳大气的理论研究上或观测技术上,都有很大进展。但前途仍无法乐观,因为ACE退役后,还没有关于后继卫星出台的计划,更没有科学家所梦想的,建立国家太空气象台的计划。他们因此而焦虑,也就不足为怪了。

(责任编辑/杨剑鸣)

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