太阳上的风暴

这个月的《裸体天文学》，我们将把目光投向太阳。太阳上的风暴是如何形成的?他们怎么能在地球上肆虐呢?我们能做些什么来预测呢?为了找到答案，本·麦卡利斯特和亚当·墨菲请来了伦敦大学学院的太阳物理学家斯蒂芬妮·亚德利。

本——毫不奇怪，因为它几乎总是天空中最亮的东西。自从人类诞生以来，人们就一直在观察太阳，而且他们以一种接近科学的方式观察太阳已经很长很长时间了。

亚当-是的。很长一段时间。在人类历史的不同时期，来自不同文化背景的人们都崇拜太阳，或者将其视为神的象征。

本:在望远镜出现之前，古代天文学家，在望远镜出现之前的天文学家甚至花了足够的时间研究太阳，以了解我们现在所说的太阳黑子的存在，太阳黑子是太阳表面的黑色斑块，通过仔细观察可以用肉眼看到。

亚当:这种仔细的观察是经常做的。以空中花园闻名的古巴比伦人，他们知道日食，当太阳被月亮的阴影遮蔽时。有一些证据表明，他们甚至可以用他们可用的数字规则来预测它们

很长一段时间以来，人们相信太阳绕着地球转。那只是另一个东西，就像月球一样。这个理论认为地球是宇宙的中心，一切都围绕着它旋转。当然，我们现在知道这不是真的。太阳在宇宙中的位置并没有什么特别之处，地球绕着太阳转，太阳绕着银河系中心转。但这一度是一个有争议的观点。一位名叫佐丹奴·布鲁诺(Giordano Bruno)的天文学家被处以死刑，被绑在火刑柱上烧死，因为他公开宣称，地球不是宇宙的中心，太阳即使不是宇宙的中心，至少也是地球轨道的中心。

亚当-至少现在我们不会因为这种事把人绑在火刑柱上烧死。随着望远镜和现代天文学的出现，我们开始更好地了解太阳。我们了解到的是，实际上它并没有那么特别。它和天空中其他闪烁的光一样。即便如此，它也没有那么大。它的大小中等，温度中等，是一颗普通的恒星。只是，它是离我们最近的一个。

关于太阳的事实和数据，给你一些统计数据。首先我们需要知道的是，它大约有46亿年的历史。它与地球的年龄相似，这表明太阳系在宇宙历史上形成的时间非常相似。

亚当:如果我们想说更多的事实和数据，它的直径，从一边到另一边，有140万公里。因为这个数字很荒谬，你想知道它的规模，地球的直径只有12000千米。所以它比我们大得多。

太阳的质量是2，后面有30个0，单位是千克，再一次，给你们一些背景知识，大约是地球质量的一百万倍，这太荒谬了。它在1.5亿公里之外。所以你可以在太阳和地球之间放上太阳直径的100倍。所以，你知道，相当远。

亚当:天气也很热。太阳的表面温度可以达到5500摄氏度。

本:你知道，澳大利亚这里有时候也差不多这么热。

亚当-是的，差不多有那么热，但除此之外，它周围还有很强的磁场。表面的磁场可以达到大约0.4特斯拉，听起来不多，但它和垃圾场的汽车磁铁差不多，可以把卡片扔得到处都是。当你认为普通的磁铁只是贴在冰箱上时，它是一个很大的磁场。

本:我们听说过46亿年的历史，但它来自哪里呢?它是如何形成的?它整天都在做什么?太阳的形成是由于宇宙中其他地方的一堆气体由于重力聚集在一起，这一袋密度过大的气体开始向内拉，不断向内拉。当它们靠得越来越近的时候，就会失去重力势能，就像一个球从地球的高层大气中掉下来，落向地球。它失去了势能，变成了另一种能量在球向地球下落的情况下。它变成了动能。气体损失的重力势能被辐射出去了。气体变得越来越热，越来越热，越来越密

温度越来越高，密度越来越大，直到最终压强和温度变得非常高，神奇的事情发生了。这就是核聚变。

本:那么什么是核聚变?这是一个流行词。我们可以这样描述:在早期的宇宙中，大爆炸之后，或者大爆炸之后很短的一段时间相对于宇宙的年龄，真正存在的东西，只有氢和一点氦以及非常少量的重元素。氢是一种非常简单的元素。它是一个质子，如果它是原子形式，它周围有一个电子，如果它是离子，它只有一个质子。所以非常非常小。如果你让它足够致密，足够高的压力和温度，一堆氢，那些氢粒子，那些单个质子会在非常非常高的密度，高压，高温条件下融合在一起产生更大的元素，比如氦和其他东西。

亚当-关键是当这两个氢在高温高压下融合产生氦和其他物质时，生成的氦的质量只比初始物质的质量小很小很小一点。但是质量的变化怎么意味着你从另一端得到能量呢?

本:嗯，你可能听说过爱因斯坦著名的E=mc平方方程，它告诉我们质量实际上只是能量的另一种形式。所以当氢合成氦的过程中失去了那一点质量时，它实际上并没有消失。它只是转换成另一种形式的能量，并以光的形式喷射出去，也就是太阳光。

亚当:没错。所有的光，所有的阳光都失去了元素的质量，它们融合在一起，从太阳发射出去。

本-
那么太阳对地球有什么影响呢?这可能看起来有点傻，但答案很简单:为一个人提供所有的光和热，你知道，如果没有太阳，我们在地球上看不到任何光，也看不到来自遥远恒星的非常非常少的光。而且会非常非常冷。我们将在太空中飞速飞行，就像所有的彗星和其他不受恒星束缚的东西一样。

亚当:当然，有时候进来的光太多了，所有的光都被困在了地球的大气层里。最后你会得到温室效应，这是全球变暖的主要原因，但我们不会过多地关注那些负面的事情。这是一个关于太阳本身的节目。

本:太阳为我们做的另一件了不起的事情是为植物提供能量，植物可以利用这些能量进行光合作用，植物吸收来自太阳的光子并产生糖，我们和其他动物可以消耗这些糖作为能量，基本上就是吃阳光并将其转化为其他物质。太不可思议了。

亚当:我喜欢这样，吃阳光，但它还有另一个作用。因为它的引力，它让我们绕着星系中心绕着太阳转，这很好，否则我们就只是一个冰冷的冰球，独自在空虚的太空中穿行。

但是太阳不仅仅是一个发光的等离子体球，它给我们光、热和能量，让我们在宇宙中保持自己的位置。它也会表现出许多更可怕、更具爆炸性和潜在危险的现象。

亚当:非常危险。你可能听说过太阳风暴。嗯，它们是真实存在的，它们可以在地球上造成真正的破坏。

本-我们采访了太阳气象学家斯蒂芬妮·亚德利，了解了这些风暴的情况，以及我们可以做些什么来预测它们

亚当:但是，在开始的时候，她告诉了我们更多关于太阳本身的事情。

斯蒂芬妮:嗯，环境不太好。就像你刚才说的，我们活不下去了。我们最近设计了一些航天器，它们非常接近太阳。例如，在水星太阳轨道飞行器的轨道内，它们必须用隔热罩和各种材料来设计。设计这类仪器真的很困难，因为太阳很热，很不友好。我想概括起来就是:热情又不友好。

本-是的。正确的。我是说，我们谈得有多火热?

斯蒂芬妮-我们说的是几百万度，对吧?太阳的表面有几千度，但离表面越远，温度越高。所以我们说的是1000万度，一个你根本不想接近的温度。绝对不是。

亚当:这是怎么回事?离它越远它就越热，这似乎是违反直觉的。这是怎么做到的呢?

斯蒂芬妮:是的，这是太阳物理学中一个长期悬而未决的问题。它已经存在了几十年，我们并不完全确定。这是一个大问题。不应该是这样的。例如，当你远离散热器时，你会变冷，但是如果你从太阳表面向外移动，那么它实际上会变热。所以这里一定有某种加热机制在起作用，我们把它缩小到两个阵营，本质上是在社区里互相争论。所以就有了磁场之类的东西。所以太阳的磁场对太阳风暴和太空天气有很大影响，但它也可能对太阳的加热有影响。因此，磁场的断裂和结合并释放能量，本质上可以加热太阳的大气层。然后还有波。 So the propagation of waves through the atmosphere as well could produce heating. This is something that we still work on today and is very much a hot topic.

亚当:你有自己的阵营吗?还是你只想在一旁观看这场科学帮派之战?

斯蒂芬妮-是的。我只是旁观。我的意思是，这可能是两者的结合，这是最有可能的。我们不知道，目前科学还不成立，数字也不成立。所以我们需要回去继续研究这个问题。

本:不只是高温，就像你说的。还有一个非常非常高的磁场，我想这也会让人很不舒服。当然也会对宇宙飞船造成破坏。

斯蒂芬妮-太阳非常活跃，这取决于它在周期中的位置。所以太阳有11年的太阳活动周期这都取决于这些磁场。当我们接近周期的最大值时，由于这些非常强的磁场，比如日冕物质抛射，我们会有很多活动。这些是来自太阳的喷发，我们得到了高带电粒子。我们得到的只是太阳自身的膨胀，也就是太阳风。这个问题一直困扰着我们。如果我们没有自己的盾牌，地球的磁场。我们会有麻烦的。所以它是一颗非常不友好的恒星。

本——充满敌意。这是一个很好的描述方式。所以你找到了一些可能部分回答这个问题的东西，但是，是的，我想，你能告诉我们，太阳在我们不看它的时候，整天整夜都在做什么吗?

斯蒂芬妮:我今天还没有看，但可能很安静，因为我们正处于太阳活动周期的低点。所以我们接近最小值。所以我们经历了最小值和最大值，我猜，要么是安静的条件，要么是暴风雨的条件。太阳表面有太阳黑子，这就是太阳活动的来源。这是一个磁场非常强且集中的区域。它们表面看起来是黑色的。所以你可以通过望远镜或眼镜观察它们，这样你就可以观察太阳。这些会产生火山爆发或高能粒子，对地球造成各种影响。但目前我认为，对我们来说不幸的是，现在非常安静，因为我们正处于平静期。

亚当:我们可以预期会发生什么，如果是在这种活动的高峰期会有什么不同?

斯蒂芬妮:所以你会有更多的火山喷发。所以统计数据显示现在大概是0.5天，但是在太阳活动极大期，可能是6天。这要看情况。因为我们在表面有更多这样的区域有这些强磁场，你会得到很多的破坏和释放能量。通常会有更多这样的喷发和太阳的任何喷发现象。所以我想，这是一段繁忙的时期，但这并不意味着我们现在没有事件发生。我认为昨天或前几天有一颗可能会朝地球飞来。

本:你提到了一些不同的事情。你几次提到太阳风暴。你刚才提到了太阳黑子。我想在一分钟内进入太阳风暴，但我听说过这些术语。你听说过太阳耀斑，太阳黑子，太阳风暴，这些都是一回事吗?它们是不同的东西吗?有什么不同呢?

斯蒂芬妮:我们有这么多不同的东西的名字。作为物理学家，我们喜欢给事物分类。我们被这个术语困住了。太阳黑子就是你在太阳表面看到的黑色斑块。这只是一个指示，这里有很强的磁场。这是大部分活动的来源，比如太阳喷发。太阳风暴只是一个广义的术语，它包含了更多来自太阳的爆发现象。一般有三种不同的类型。我们有太阳耀斑，这是太阳发出的非常强烈，明亮的光，你可以看到，这是因为磁场改变并释放了大量能量。这些发生得很快。 So you see these brightenings probably up to an hour or a couple of hours, but they onset very quickly. The eruptions, or we call them the technical term, coronal mass ejections. These are these huge bubbles of magnetic field and particles that essentially race towards us at thousands kilometres per second, and can hit us here at Earth. And then you have these solar energetic particles. These are high energy particles that come from the Sun and they can reach us even quicker. So eruptions actually take maybe even three to five days. I think the quickest one was 17 hours to reach the Earth, whereas energetic particles take minutes, maybe 10, 20 minutes to reach us. So we've got all these different types of solar hazards, essentially, that can affect us here. And that's not even talking about the constant stream that we get from the sun. This is the solar wind. So the Sun doesn't just stop in space. We have this expansion of the Sun and that those particles hitting us and hitting us now also can cause things like the aurora and damage to our satellites as well.

本:好吧。看看我是否理解了。所以总是有太阳风，来自太阳的粒子。然后你有了这个术语，太阳风暴，它包含了像日冕、物质抛射、太阳耀斑和高能粒子流这样的东西。这有点像，这些都是不同类型的太阳风暴。太阳黑子是太阳上的一个区域，在那里这些事件更容易发生。

斯蒂芬妮-哇。完美的。太好了。我现在可以走了，对吧?

本-是的。哇。好了，这就对了。非常感谢。这是我们的节目。谢谢你的到来。是的。好了,好了。谢谢你的解释。

亚当:我喜欢的一件事是，如果你和植物学家交谈，你会发现太阳是温柔而美妙的生命给予者，它滋养着我们所有的植物。然后，当你和天体物理学家交谈时，它是天空中破坏性的火球!害怕!

斯蒂芬妮-是的，如果你走到另一端，和天文学家或天体物理学家交谈，他们会说，哦，太阳真的很无聊。它的磁场非常弱。我们并不关心它。

本-是的。又不是磁星之类的。那么我们关心什么呢?

斯蒂芬妮:而我想，嗯，你研究宇宙中的恒星，你知道，它们对我们的日常影响是什么，我们的太阳是离我们最近的恒星。这是我们可以研究得最详细的一个。所以我们可以把这些卫星送到那里。我们可以用这些地面望远镜来观察表面的美丽细节，特别是用我们最近得到的一些新望远镜。它每天都在影响着我们。它给我们带来了可爱的太阳风暴，幸好我们受到了地球磁场的保护。尽管这显然会在地面上造成问题。这也是我们想要预测这些事件的另一个原因。

本-是的。你能多说一点吗?你知道吗，你太直接了。为什么我们对研究这些太阳风暴和高能太阳事件感兴趣呢?

斯蒂芬妮-大多数人会意识到极光。我想，这些都是太阳风暴带来的美好结果。因此，当它们向地球移动并与地球大气相互作用时，就会出现可爱的极光。如果你足够幸运能看到这些，那将是一种很棒的体验，但它也会损坏卫星和任何形式的电子设备。它可以影响国家电网，影响任何依赖电力的东西。所以我们真的很想尝试预测这些事件，这样我们就可以采取行动，这样我们就可以尝试保护我们的一些基础设施，但这真的很难做到，因为就像天气预测一样，我认为目前太空天气预测可能比天气预测落后得多。我们的大部分努力都集中在，我们看到来自太阳的喷发，然后我们模拟它，以及它是如何向我们传播的，然后希望我们的模型是正确的。是的，很多时候我们都做得不对，因为火山喷发必须有一定的条件。它们并不总是影响我们。有时他们只是忽略了我们。 And this is all dependent on the magnetic field. We can probably predict their arrival time within about 12 hours. But someone, say from the national grid will want three to five days warning. We're quite far away from being able to provide this at the moment. And that's just the national grid. There are people that use radio communications or global positioning systems and stuff like that. It really affects our communications. We're in trouble when one of these events happens and we rely on something, say in a natural disaster, and we're relying on radio communications, for example, and they just stop and they cut out. Then it is a problem and it will cost millions of pounds. You get power outages. For example, there was an event in 1989 in Quebec, in Canada, and the whole of Quebec lost power for about nine hours. And this cost millions of pounds. And you can cause permanent damage as well to the transformers, which take months, years to fix.

亚当-到底发生了什么?是什么把太阳搞砸了国家电网?

斯蒂芬妮-我喜欢你对太阳的描述，太阳在发脾气。太阳有一刻。举个例子，如果我以火山爆发为例，就是这些巨大的等离子体气泡和磁场冲向我们，然后撞击地球。它们撞击地球磁场并与地球磁场相互作用。所以你基本上会在地球大气中得到高能粒子，这是一个影响。这显然也导致了极光。然后由于这些电流，会发生什么，基本上也会影响表面的磁场。这些感应电流。所以你本质上是在诱导电流，这显然会破坏国家电网，或者任何依赖电力的东西。你们经常听到的最重大的事件之一，比如1859年的卡灵顿事件，当时的科技还不是今天的样子。 For example, they had the telegraph operators getting shocks from their telegraphs and they were operating by themselves. Yeah. Just because of these currents that were being induced.

本:那么厉害?

斯蒂芬妮-是的。这是最坏的情况。那是一个特别强烈的事件，实际上是在17小时后爆发的。所以它真的非常非常快。

本:可以说它有点像电磁脉冲，是人们谈论的科幻小说和/或真实的东西，作为一种使通信系统失效的方式吗?

斯蒂芬妮-是的。我想你可以这样称呼它。恼人的是，我们不能确定什么时候会发生，我们观察太阳，我们看到一个事件发生，然后我们想，好吧，我们将建模，看看会发生什么。很多时候我们会因此得到假警报。这也是一个问题，对吧?所以如果我们发出警报，比如高能粒子，我们就会担心辐射。所以当你在飞机上飞行时，无论是商业飞行还是太空飞行，当你在高空时，你就会担心你会受到的辐射剂量。所以发出警报说，我们认为会有一场辐射风暴因为太阳发生了一个事件，然后它没有发生。每个人显然都会对此做出反应。例如，航空公司可能会在较低的高度飞行，或者避免极地航线，这样你就不会受到更多的辐射，但这要花钱，因为在较低的高度飞行会消耗燃料，但那是浪费。 So if we keep sending out false alerts, then the aviation industry is not going to be very happy with us.

亚当:那么回到预测的问题上，我们目前在做些什么来达到我们可以预测的程度呢?目前的研究是什么样子的?

斯蒂芬妮:所以现在，就像我说的，我们坐着盯着太阳。我们坐着看太阳。我们在那里有卫星，可以观察即将到来的火山爆发，然后我们可以模拟它们。所以其中一件事就是提高我们对这些区域的理解。这就是我感兴趣的。所以观察太阳黑子区域，找出是什么样的区域产生了这些喷发或高能粒子。那么我们可以把什么样的属性输入到这些模型中，然后改进预测。因为很多模型都是基于我们的观察。如果您能弄清楚这些区域的哪些参数或哪些属性对这些事件最重要，那么您就可以更好地告知模型。很明显，你也可以在模型上工作并改进模型本身因为计算时间是昂贵的。 And obviously we're doing this in real time. We're trying to forecast as quickly as we possibly can. And so the models won't have all the physics in them. We can't do that. They would take months or years to run. We wouldn't be able to run them. There are two paths, really. You have the actual science, like what I'm doing, looking at these regions and trying to figure out, you know, why these particular regions are productive. Or you have the space weather side, which is actually looking at the models, and the end users and looking at what they want out of these models. Like what information and what warnings they want. So there's two streams, really. The research side, and then the space weather prediction side. And they do link together as well.

本:你在预测方面的研究是否以观察太阳黑子为中心，这些事情发生的区域，并试图弄清楚，在某种程度上，这是否有点像数据科学，就像看过去的数据，然后说，哦，这些形状和大小的东西有这些事件，然后用它来预测未来的事件?

斯蒂芬妮-是的。正是这样。所以我们可以从本质上看太阳黑子的磁场印记。所以我们在看表面上的磁场。我看着这些数据，然后问，这些区域的大小是多少?它们有多复杂?你知道，我们看到什么样的结构。你观察这些太阳黑子在不同的日子里的不同特性，导致爆发，然后试着看看这些区域与没有产生这些爆发的区域有什么不同。这是目前很多社区关注的问题，我们可以从数据中获得哪些属性，然后为这些模型和预测提供信息。我们遇到的一个问题是这只考虑了表面的磁场。 What we'd ideally like to do is look at the magnetic field throughout the atmosphere. And these measurements are really difficult to make. And so we don't have these routine measurements. And we think that actually, maybe if you had the surface magnetic field, along with what's going on throughout the atmosphere, this might actually help us. And this is what one of the new telescopes has recently been built, actually looks at the magnetic field in the corona. And this is where models come in as well. We can also use models to model the outer atmosphere's magnetic field. But again, these aren't going to be exactly spot on. They give us a general idea and also you then struggle with computing time. Again, these models aren't necessarily very fast. So yeah, it's trying to figure out what information is needed. And with the, like you're saying about data science, we can use all these methods that are coming up elsewhere. So a hot topic right now is things like machine learning and artificial intelligence, and going back through all the data sets and trying to do a statistical survey of what regions were producing these eruptions and these kinds of phenomena, and which regions weren't, in training their models on the data sets.

亚当:我在想，这是不是和正常的天气有点类似，说现在的情况是这样公平吗?这就像我们在地球上看到一场风暴，然后在它发生后，我们可以说，我们的模型预测到了它。这就是那场风暴会造成的后果。所以我们是对的。也许将来我们能预测它。

斯蒂芬妮-是的。听起来是对的。世界上有很多不同的团体使用不同的模型并做出不同的预测。我们在太阳周期中也有它，看看下一个太阳周期有多强，这也是一个大周期。所以你有一个预测小组，他们聚集在一起预测太阳的活跃程度。所以太阳周期是通过观察11年周期内太阳黑子的数量来测量的。所以你有这些不同的预测，人们争论，不，我们将有一个非常安静的周期。实际上，它会非常活跃。因为它们是基于模型而我们并不了解太阳的一切，所以很明显它们可能是对的，也可能是错的。关于太阳未来的走向有很多争论。

亚当:你认为我们会达到这样的程度吗，你知道，我们可以在天气预报上说，你知道，多云有太阳耀斑的可能性?

斯蒂芬妮:就像我说的，我们的预测是有50%的可能性。今天会有太阳耀斑，就像这样的活动水平。我们已经有了这样的预测。只是，我们是否做对了是另一回事。