太陽兩極即將反轉，這很奇妙，也有些可怕

王曉濤/編譯

太陽活動越來越猛烈了。這對極光愛好者來說再好不過，但對通信衛星來說恐怕就是壞消息了。

太陽就要反轉了。

每隔大約11年，太陽就會發生史詩般的變化：它的磁極會反轉。和地球一樣，太陽也有磁南極和磁北極。然而，地球的磁極每幾十萬年才反轉一次，但對太陽來說，這簡直是家常便飯。太陽磁極上一次反轉是在2013年。因此，太陽的下一次反轉近在眼前，很可能就是在2024年的某個時刻開始。

雖然太陽磁極反轉聽上去像是世界末日即將來臨的征兆一樣，但實際并不是這樣。當太陽磁極反轉時，你甚至不一定會注意到。太陽磁場活動周期對地球氣候的影響微乎其微。真正的麻煩之處在于太陽磁場反轉之前發生的事。

在太陽磁極真正反轉之前，太陽表面的磁場活動會日益增強。這其實就是當前太陽的狀態?！皩嶋H上，我們現在看到的太陽很可能是過去20年里活動最猛烈的?！泵商乩麪柎髮W太陽物理學家保羅 · 夏博諾（Paul Charbonneau）說。

太陽在活動高峰期內展示的是整個太陽系中最為奢華的煙火表演。 “在這個時期，太陽爆發出更多磁能，我們也就可能看到更多太陽耀斑和日冕物質拋射現象，總之就是更多有意思的現象?！毕牟┲Z說。

其中，尤其值得關注的是日冕物質拋射。這種爆發性事件就像是用霰彈槍在整個太陽系內發射物質——也就是“太陽風暴”。太陽風暴抵達地球后完全有能力干擾甚至破壞地外空間中的通信衛星。要知道，因為埃隆 · 馬斯克“星鏈”計劃這樣的活動越發頻繁地發射互聯網衛星，現在地外空間中的衛星數量是越來越多了。在比較極端的情況下，太陽風暴甚至能讓地面上的部分電網無法工作。

不過，在科學家眼中，太陽活動的劇烈期并不代表危險，反而提供了大量機遇。太陽活動劇烈期為研究人員提供了一個更細致研究太陽的機會，從而更好地朝兩大目標邁進。其一，科學家希望能更好地預測太陽風暴何時會嚴重破壞地球和宇宙飛船。氣象學家在預測地球天氣方面已經取得了長足進步，天體物理學家也想像他們那樣準確地預測空間天氣。要是真能實現這個目標，那么太空旅行必然會變得更加安全，這在人們對載人登月、登火計劃熱情日益高漲的背景下顯得格外重要。其二，他們希望能更好地了解太陽神秘的內部情況。那里的表演令人生畏，更好地了解其中的詳細情況有助于我們研究宇宙中的其他恒星，并最終為那個終極謎團提供線索：我們人類為什么會出現在這里？

太陽是一塊碩大的核動力磁鐵

在太陽核心，氫原子聚變成氦原子，同時釋放出海量能量。

在核心區之外呢？因為無法直接研究恒星內部，科學家就不太清楚那里究竟發生了什么。畢竟，太陽距我們有1.5億千米之遙，它表面劇烈而明亮的活動更是掩蓋了內部的野獸。

在太陽核心區之外一個叫作“對流區”的區域，太陽核心部分聚變反應過程中釋放的海量熱量讓氣體變得過熱從而變成等離子體（也就是說氣體溫度高到帶上了電荷）。在地球海洋中，水以大規模對流的方式運動，也就是溫度較高的水上升，溫度較低的水下沉。地球大氣有時產生的巨大噴流原理也是如此。天體物理學家認為，等離子體在太陽內部的運動方式與之類似。

在地球上，空氣與水的運動將赤道區域的熱量送往兩極地區，從而影響天氣和氣候。太陽上發生的事更加驚人，不僅轉運熱量，而且還轉移電磁效應。

約翰霍普金斯大學應用物理學實驗室天體物理學家諾爾 · 拉瓦菲（Nour Rawafi）說：“我們認為，這些等離子體的流動就是強電流的成因。另外，只要有了電流，磁場就來了?！保阍谥袑W時就很可能看過這個演示實驗：把導線繞在釘子上，再與電池相連，釘子就變成了磁鐵。）

太陽產生磁場的這個過程叫作 “太陽發電機”。這個機制的具體運作細節還有很大一部分是太陽物理學家不知道的，畢竟我們無法直接觀測太陽內部。

不過，即便是在太陽表面，我們也能見識到太陽發電機的威力。太陽物理學家、美國國家大氣研究中心副主任斯科特 · 邁克因托什（Scott McIntosh）說，要是太陽內部等離子體和磁場的流動不穩定，它們就會躍入太陽表面，這類磁場非常強烈，因而呈現為暗色斑塊，也就是研究人員口中的“太陽黑子”，因為它們看起來就像是太陽表面的斑點。

太陽黑子這類高磁場區域就像是給太陽的光和熱加了蓋子。邁克因托什說，在望遠鏡中，“相對所在的環境，它們看上去又暗又冷”。（準確地說，太陽黑子的溫度仍舊相當高——大約在3600℃左右——同時也非常明亮。只不過，相對太陽表面5500℃的平均溫度，太陽黑子顯然是“冷”得多。）

在地球上，沒有任何現象與太陽黑子類似。如果有，那就會是一部分急流沖出大氣層進入太空，遮蔽了下方大陸。于是，宇航員就看不到這些假想中的“地球黑子”之下的地表了。

最近幾個世紀中，天文學家一直在用望遠鏡觀測這些太陽黑子，并且注意到了它們的活動模式。每過11年，太陽表面的太陽黑子數量就會達到峰值。在20世紀50年代和60年代，研究人員意識到太陽黑子數量的顯著上升意味著太陽磁極即將反轉。（2024年4月全美國可見的日全食會因為臨近太陽活動周期的峰年而獲益。屆時，如果你能全程觀看這次日全食，就有可能看到太陽大氣中發散出來的環狀磁場區域。）

然而，在太陽磁極反轉之前，就會有怪物從這些太陽黑子中誕生，那就是可怕的太陽耀斑。太陽耀斑極為明亮，本質上是電磁輻射（包括可見光、X射線和紫外輻射）的爆發和日冕物質拋射。

日冕物質拋射也是爆發性事件，將太陽的等離子體和帶電粒子拋入太空。之后，這些等離子體和帶電粒子會以每秒幾十萬千米的速度在整個太陽系中穿行?？屏_拉多大學博爾德分校宇航工程學教授德洛里斯 · 尼普（Delores Knipp）說，一般而言，日冕物質被拋射出來后，只需3天就能抵達地球。

一旦抵達地球，這些等離子體和帶電粒子的影響范圍就變得大多了。大多數時候，地球自身的磁場就能讓這些太陽風暴偏轉。地球磁場就像是一把宇宙級別的傘，將這些如雨點般落下的太陽粒子反彈出去。尼普說：“在其他一些較少出現的情況中，太陽風暴真的可以打開地球磁場，讓多得多的能量和物質涌入地球。等到這類事件發生時，我們就很可能看到它們產生各種各樣的影響?！?/p>

在比較溫和的情況下，太陽風暴可能會讓地球低緯度地區發出更加美麗動人的極光。極光是來自太陽的帶電粒子與我們地球大氣層中的氣體相撞后發生的現象。在地球兩極地區，磁場強度最低，散射太陽風暴的能力最差，這就是為什么極光一般在兩極地區或附近出現。不過，極光偶爾也會發生在更靠近赤道的區域，甚至發生在美國本土48州的上空。

要是太陽風暴猛烈的話，就可能造成大量災難性事件。在太空中，太陽風暴會干擾通信衛星和全球定位系統。在地面上，太陽風暴可能讓部分電網失效。正如電的流動可以誘發磁場，磁場也可以誘導出電流。尼普說：“我們的電網對磁場環境的變化很是敏感?！?/p>

地球直接暴露在強烈太陽風暴之下的可能性非常低，但不是完全沒有。根據美國宇航局的資料，1859年，一場名為“卡靈頓事件”的太陽風暴在太陽活動周期臨近峰值時發生，對彼時剛誕生不久的電報系統造成了毀滅性破壞，引發了火災，阻礙了信息傳遞。而極光甚至在南至墨西哥城的地區都能見到。倫敦勞埃德銀行的風險分析師估計，要是今天發生一場類似的事件，經濟損失在萬億量級。

太陽活動的上一個峰年是在2012年，在那期間，科學家發現了數次穿越地球軌道的日冕物質拋射事件：幸運的是，我們的地球并不是這些事件的直接目標?！安贿^，要是這些爆發性事件擊中地球磁場，”布拉德 · 普拉默（Brad Plumer）在2014年寫道：“它們可能會誘發強大的地面電流，導致我們的電網過載、變壓器失效，進而使整個地區斷電?！?/p>

2024年是太陽科學的機會年

以上這些都是對太陽這顆恒星運作方式的簡要描述，但還是缺少了很多細節?？茖W家還沒有建立關于太陽發電機（太陽內部等離子體和帶電粒子的運動積聚磁能的過程）工作原理的完美模型。這意味著，我們仍舊不那么明白為什么有些太陽活動周期要比其他更加猛烈，也無法對此做預測。實際上，目前看來，當前的這個太陽活動周期強度相當高，但按照科學家之前的預測，它應該比實際情況溫和得多。

另外，科學家目前也無法預測日冕物質具體何時噴發。此外，他們也仍舊在努力建立預報模型，以預測太陽風暴何時以何種方式抵達地球。

邁克因托什說：“弄清楚太陽在做什么，已經不再只是學術問題，因為它與蓬勃發展的商業航天產業息息相關?！痹谧罱@些年里，環繞地球運行的衛星數量以千為單位爆發式增長。光是埃隆 · 馬斯克的星鏈系統——設計目標是從空間提供互聯網服務——就涉及4000多顆衛星。所有這些衛星——再加上通信衛星和全球定位系統的衛星——都會受到空間天氣的影響，甚至有可能在太陽風暴中徹底毀壞。

另外，人類越是深入探索宇宙，就越是暴露在危險的太陽風暴之下。例如，人類探索宇宙的主要目標之一火星就沒有地球這樣的磁場保護罩?！耙虼?，我們越是能細致、全面地觀測太陽，就越是能預測宇航員在火星上的情況，進而能更好地保護他們?！边~克因托什說。

好在，在這個太陽周期中，科學家已經掌握了一些做關鍵觀測的設備。

首先是2020年發射升空的歐洲空間局太陽軌道器。顧名思義，這個探測器就是圍繞著太陽運行的。它的主要任務是直接觀測太陽兩極地區，這也是全人類的第一次。拉瓦菲說：“重要的是，太陽兩極地區藏著我們認識太陽活動周期的關鍵秘密。因為極性反轉就是在那兒發生的。太陽兩極地區發生的事為后續的太陽活動周期埋下了種子。因此，全面了解太陽兩極有助于我們預測未來的太陽活動周期?！?/p>

其次是2018年發射升空的美國宇航局帕克太陽探測器，它的目標地點是人類探測器有史以來距太陽最近的，距太陽表面不到640萬千米。帕克探測器可以穿過太陽拋射出的日冕物質，并且在過程中細致測量這類事件是如何把粒子加速到能夠穿越太陽系的程度的。

再次是2019年投入工作的地面設備，位于夏威夷的井上太陽望遠鏡。這架望遠鏡拍攝到了人類拍過的最高分辨率的太陽表面圖像。

這些新觀測設備加入了原來就有的軌道、地面觀測隊伍。太陽物理學家的夢想是借助這些功能強大的設備見證太陽噴發事件，并通過各大天文臺追蹤噴發物質在太空中奔向地球的整條運行路徑。借助這些功能強大的儀器，科學家就能做出更加準確的預測，就像地球上的氣象學家如今大幅提升了預報颶風等災害的能力一樣。

此外，在太陽周期的活躍階段研究這類爆發現象也有助于科學家研究太陽發電機這頭野獸本身。

邁克因托什談到研究日冕物質拋射或太陽耀斑時說：“這就像是一座冰山，基本上，你只能瞥見整個機器的一小部分。因此，你必須根據這些太陽風暴做出推斷，進而理解這個大機器在宇宙環境下究竟做了什么?！?/p>

研究清楚這臺大機器非常重要。

邁克因托什說：“很多人都開過這樣的玩笑。在太陽物理學領域，唯一一個獲得諾貝爾獎的機會就是終于研究清楚它的發電機制?！敝赃@么說，一部分原因是：太陽是一顆相當普通的恒星，光是在我們的銀河系就有數十億顆與之類似的恒星。所以，如果科學家能夠研究清楚它的運作機制，相關知識就立刻呈指數式上升：他們突然就更深入一些地明白了全宇宙數不清的恒星是怎么運作的。邁克因托什說：“太陽的運作機制極不可能是獨一無二的，但它就在我們家門口?！?/p>

知道太陽運作機制之后，甚至還能知曉一些更重大問題的答案。畢竟，生命之所以能出現在地球上，仰仗的完全是太陽提供的能量。要是太陽的活動強度高一些，或者地球的磁場保護罩弱一些，生命可能就不會出現了。因此，理解我們恒星的運作方式就是解開生命起源之謎的關鍵拼圖——不僅是地球生命，而且還有其他恒星周圍可能存在的所有生命。

拉瓦菲說：“我們正努力研究人類是不是宇宙中的特例，研究宇宙是否到處都是生命?！币霃氐谆卮疬@個問題，就一定要看看其他恒星的情況。然而，與此同時，只是研究我們自己的恒星就對研究全宇宙的恒星大有幫助，這就是天文學的奇妙之處。

資料來源 Vox

本文作者布萊恩 · 雷斯尼克（Brian Resnick）是一名科學作家、編輯