太阳风暴：为何我们需要提升太空天气预报能力

• 太阳上的扰动可能引发太阳风暴；太阳耀斑和日冕物质抛射会向太空释放大量辐射和带电粒子。

• 这可能损害地球的通信和电力基础设施，影响卫星和电网等系统。

• 深入了解太阳黑子，是帮助科学家预测这些强烈辐射爆发何时发生的重要途径。

• 提升太空天气预报能力将使太空探索对宇航员而言更加安全，因为他们不受地球磁场的保护。

太阳是维持地球生命最重要的能源，但它带给我们的远不止光和热。它还会带来太阳风暴。

太阳上的扰动，例如由活跃太阳黑子区域产生的太阳耀斑所引发的日冕物质抛射，可能导致太阳风暴。太阳耀斑和日冕物质抛射会向太空释放大量辐射和带电粒子。

这些事件可能损害地球的通信和电力基础设施，导致停电和系统功能下降。卫星、空间站、宇航员、航空、GPS、电网等都可能受到影响。

随着文明日益进步，我们更容易受到太阳风暴的影响。如今，随着太阳活动不断增强，我们需要提升太阳天气的预测能力。

许多人仍记得加拿大魁北克电网于1989年3月13日发生故障，持续了九个小时，影响了600万人。这场事故造成数亿美元的损失和收入损失。这次停电是由太阳风暴引起的。

卡林顿事件以记录这一事件的业余天文学家命名，是另一场强烈的太阳风暴，发生于1859年9月。1859年的尖端技术仅限于电报，而欧洲和北美的大多数电报都发生了故障，有些操作员甚至遭到电击。

如今，我们对技术的依赖程度高得多，而技术也越来越容易受到太空及其独特自然灾害的影响。

太空辐射

太空浩瀚、寒冷、黑暗，充斥着辐射。太空辐射主要来自银河宇宙射线——其他星系抛射出的高能粒子——以及太阳粒子事件——来自我们太阳的高能粒子。

在太空辐射中，原子在星际空间中被加速至接近光速。最终，电子被剥离，只剩下带正电的原子核。

人类观测并计数太阳黑子已有400多年，这使其成为世界上持续时间最长的实验。太阳黑子周期为11年，目前我们正处于这一周期的中段。太阳如今正接近“太阳活动极大期”，届时太阳活动将达到最高水平。下一次太阳活动极大期预计于2025年开始。

人们熟悉北极光，它是太阳辐射的一种可见效应。地球磁场保护我们免受太空辐射的大部分危害，并将带电粒子引向两极；粒子在那里进入大气层，形成绚丽的光景。

提升太空天气预报能力将使太空探索更加安全。Image: 太空天气研究

然而，辐射也会影响技术和人类。在强烈的太阳辐射风暴期间，高能质子可能损坏卫星内部的电子电路以及宇航员的生物DNA。飞越北极的乘客和机组人员会受到更强的辐射。

这些辐射风暴可能造成错误，使导航操作变得极其困难。高能质子还可能使大气中的原子和分子电离，形成一层自由电子。这一层能够吸收高频无线电波，导致高频通信中断，也就是短波无线电通信中断。

随着我们越来越依赖技术，预测太空天气至关重要。然而，准确预测太空天气长期以来一直是专家面临的难题。

预测太空天气

了解太阳黑子的复杂性将帮助我们预测是否可能发生重大太阳耀斑。我和同事开发了一套实时自动化计算机系统，利用图像处理和人工智能技术监测并分析太阳卫星数据。这有助于预测未来24小时内发生太阳耀斑的可能性。

我们率先开发了自动处理、检测和特征提取新技术，用于分析美国国家航空航天局（NASA）太阳动力学观测卫星拍摄的太阳特征，例如活跃区和太阳黑子。我们还推出了首个自动化实时系统用于对太阳黑子进行分类。在此之前，太阳黑子的分类工作由专家费力手动完成。

太空任务和宇航员更容易受到辐射影响，因为他们不受地球磁场的保护。辐射对人体的影响可能包括放射病、癌症风险上升、退行性疾病以及对中枢神经系统的影响。

尽管存在这些风险，人类和机器人在太空中的活动仍在增加，NASA正努力在2030年代将人类送上火星。目前火星上有两辆探测车——“好奇号”和“毅力号”——以及一台着陆器正在运行，另有一辆探测车计划于2022年发射。

我们的太空天气预报系统向公众开放，目前已被用作NASA机器人任务的决策工具之一，并用于管理NASA钱德拉X射线天文台轨道上的辐射影响。

随着我们继续向更远的太空进发，我们需要增强现有的太空天气预报能力，更全面地了解太阳活动，并减轻其在太阳系中的影响。

这项任务极具挑战性，因为大多数太阳观测都是从地球视角进行的。我们需要改进建模并研究太阳特征的演变，以适应围绕太阳运行的天体轨道存在的巨大差异。