太阳风暴会导致数万亿美元的灾难，人类的主要防御手段是什么？

图注：NSF的Inouye太阳望远镜发布的”第一光”图像片段以前所未有的高分辨率显示太阳表面的德州大小的对流单元。第一次，可以查看单元之间的特征，分辨率小至30公里，从而揭示太阳内部发生的过程。

2019年12月12日，世界上最强大的太阳天文台——美国国家科学基金会的丹尼尔·K·井上太阳望远镜首次“睁开”眼睛。井上太阳望远镜拥有直径4米的主镜和独特的偏心设计，能够在太阳上成像小到30公里的特征。在2020年1月29日发布的第一张光照图片中，德州大小的对流单元之间的特征首次被揭示出来。

但是井上太阳望远镜提供的不仅仅是我们母星的美丽图像；它是众多太阳天文学项目中的一个，所有这些项目都在共同努力，保护我们的星球免受数万亿美元的灾难：灾难性的太阳耀斑。它可能会在今年的任何时候出现，也可能会持续几个世纪，但研究太阳是唯一的准备方法。下面是这些美丽的图片背后的科学。

直到1859年，太阳天文学还是非常简单的：科学家们研究太阳发出的光，偶尔涉及太阳表面的黑子，并在日食期间观察日冕。但是在1859年，太阳天文学家理查德卡林顿碰巧在观察太阳，跟踪一个巨大的、不规则的太阳黑子，这时发生了一件史无前例的事情：观测到一个“白光耀斑”，强烈明亮，在整个黑子本身移动了大约5分钟，然后完全消失。

这是第一次观测到我们现在所说的太阳耀斑。大约18小时后（大约是大多数太阳耀斑速度的3到4倍），地球上出现了有记录以来最大的地磁风暴。世界各地都观测到极光：矿工在落基山脉中醒来；报纸可以通过极光的光来阅读；明亮的绿色窗帘出现在古巴、夏威夷、墨西哥和哥伦比亚。电报系统，即使在断开连接的情况下，也会经历它们自己的感应电流，引起震动，甚至引发火灾。

图注：2012年，太阳表面爆发了一次X级太阳耀斑：这一事件的亮度和总能量输出仍远低于1859年卡林顿事件，但如果它以正确（或错误）的性质撞击地球，仍可能造成灾难性的地磁风暴。

如果今天发生这样的事件，我们拥有的电力和电子基础设施将遭受毁灭性的影响，很容易造成数万亿美元的损失。问题是，当某些空间天气事件穿透我们的磁层并与大气相互作用时形成的地磁风暴，即使在完全断开的电子电路中，也会导致大量电流流动。

太阳天文学的一个关键科学目标是了解太阳之间的相互作用、引起这些风暴的空间天气以及对地球本身的影响是如何相互关联的。这就是为什么NSF的井上太阳望远镜的主要科学目标是在三个不同的层上测量太阳的磁场：

在光球层，
在色球中，
整个日冕。

凭借其巨大的4米直径和5台科学仪器（其中4台是专为测量太阳磁性而设计的分光偏振仪），它将前所未有地测量太阳表面和周围的磁场。

测量太阳上各层的磁场是我们预测太空天气最重要的事情，这对大多数人来说是个惊喜。在20世纪80年代末，每个人都在谈论太阳耀斑是太空天气的驱动力，而这也是大多数讨论的焦点。然而，这只是故事的一小部分，因为有时太阳耀斑会在地球上引起壮观的地磁风暴，但在其他时间，它们没有影响。

我们朝着理解磁场作用迈出的第一步是在1995年，当时美国宇航局的SOHO天文台发射升空。它所看到的不仅仅是光球层发生的太阳耀斑，而是一种新的现象：日冕物质抛射（CMEs），它起源于比光球层离太阳更远的地方。如果你看过太阳的蓝色动画，太阳圆盘被日冕仪挡住，你就会看到一张来自SOHO的图片。

图注：NASA的SOHO观测到了几次日冕物质抛射（CMEs），这得益于其阻挡太阳的日冕仪能够实时成像动态日冕。在附近，这幅1998年的动画还展示了彗星C/1998 J1。

当CMEs到达地球时，这就是导致太空天气事件的原因。没有CME的太阳耀斑不可能引起大的地磁风暴；SOHO教会我们的一件事是，地球磁场将非常好地保护我们免受正常太阳耀斑的影响，最多导致一次小的极光事件。

但是许多太阳耀斑会导致日冕物质抛射，特别是如果附近有日珥的话。日珥是居住在日冕中的高密度物质的集合，日珥通常发生在太阳磁场破裂导致物质喷射的地方。CMEs本身是定向的，只有那些最终撞击地球的CMEs才使我们处于危险之中。当CMEs偏离侧面时，就不必担心了；但当我们从自己的角度看到一个环形CME时，那就是它们正朝着我们而来的时候。

图注：从我们的角度来看，当日冕物质抛射向各个方向的延伸相对相等时，这一现象被称为环状CME，这表明它很可能正朝着我们的星球移动。

但是，即使是太阳耀斑引起的CMEs直接指向地球，也不一定会引起地磁风暴；还需要有另一块拼图正好排成一行：需要有正确的磁性连接。请记住，磁铁通常有南北极，在那里相似的极（北北或南南）排斥，但相反的极（南北或南北）吸引。

地球有自己的磁场，从远处看，它有点像一块排列在我们旋转轴附近的条形磁铁。如果CME期间喷射出的物质的磁场与地球磁场对准，太阳粒子将被排斥，地球上将不会发生地磁事件。但是如果磁场是反排列的，就像161年前臭名昭著的卡林顿事件一样，你会看到一个壮观的（也可能是危险的）事件，有着最壮观的极光显示。

图注：当带电粒子从太阳射向地球时，它们被地球磁场弯曲。然而，这些粒子中的一些并没有被转移开，而是沿着地球的两极向下漏斗，在那里它们可以与大气碰撞并产生极光。只有当被喷射粒子的磁场的正确成分与地球磁场的方向相反时，这种情况才会发生。

自2000年以来，我们测量CME向地球运动的带电粒子磁场的最佳工具，是在L1拉格朗日点（距离地球约1500000公里的一个点，位于向日面）上的大量卫星和天文台。不幸的是，该点已经是从太阳到地球的99%的路程了；从CMEs到达L1直到它到达地球，我们通常只有大约45分钟的时间准备时间，这些CMEs可能产生地磁风暴，或者不会产生地磁风暴。

理想情况下，我们的下一代太阳观测站将给我们带来的是，我们将不得不知道，当发生这种潜在的灾难性日冕物质抛射时，我们是否需要采取适当的缓解措施。我们可以做很多事情，但我们需要提前一个多小时通知才能做到。

图注：地球-太阳系统有效潜力的等值图。L1拉格朗日点对太阳观测卫星很有用，因为它们将永远停留在地球和太阳之间，但到那时，来自CME的粒子已经是其中99%的粒子。

我们能够最好地减轻地球上空间天气事件造成的损害的方法是让电力公司切断其电网中的电流，并断开（和足够接地）车站和变电站，从而使感应电流不会流入家庭、企业和工业建筑。由于巨大规模电流，它们需要安全地逐渐下降，通常需要一天左右而不是一个小时来实施。

在CME到达地球之前，要知道它的磁场的适当成分是对准的还是反对准的，关键是要测量太阳上的磁场，而不是大约45分钟的提前期，要做到这些，需要整整3天左右的时间，这通常需要从太阳喷射出来的日冕物质开始我们就应该检测到。

井上太阳望远镜正是我们进行这些观测所需的令人惊叹的太阳测量磁强计。

图注：阳光通过丹尼尔·K·井上太阳望远镜（DKIST）的开放式望远镜圆顶流入，击中主镜，有用的光子则指向安装在望远镜其他地方的仪器。

实际上，我们试图解决的关于太阳的每一个问题都是一个磁问题。如果我们想了解太阳光球层发生了什么，它是由太阳内层的热量驱动的，但它是根据磁场及其在整个太阳外层的分布而分布的。磁连通性从光球层延伸到色球层，再延伸到日冕，它提供热量、风，并使日冕充满能量。

在炽热的日冕中产生的风在地球和太阳之间，实际上在太阳和太阳系的其余部分之间产生了磁性联系，这与行星上的极光有关，甚至在太阳系的外部。无论我们如何从太阳的速度、运动学、能量、量热等方面来测量物质的其他性质，磁性是理解太阳活动的关键。

图注：太阳日冕环，如2005年美国宇航局过渡区和冠状探测器（TRACE）卫星观测到的太阳日冕环，沿着太阳磁场的路径运行。当这些循环以正确的方式”断裂”时，它们会发出日冕物质抛射，从而有可能影响地球。

为了了解将对地球产生什么影响以及如何影响地球，我们不仅需要全面了解太阳本身发生了什么，还需要全面了解太阳在各个层面上喷射出的粒子：

从光球层，
穿过色球，
到了日冕，
穿过星际空间，
通过L1拉格朗日点，
我们的星球上。

井上太阳望远镜、Parker太阳探测器、即将执行的太阳轨道器任务以及SOHO和SDO等L1卫星的组合，将使我们能够前所未有地了解太阳和地球之间的磁性联系。国家科学基金会的井上太阳望远镜不仅测量了德州大小的太阳对流单元，其精度比以往任何时候都高，而且首次将这些单元之间的空间排列起来，是其中不可或缺的一部分。