新模型顯示太陽(yáng)“龍卷風(fēng)”如何對(duì)地球造成嚴(yán)重破壞

天氣預(yù)報(bào)是一個(gè)強(qiáng)大的工具。例如，在颶風(fēng)季節(jié)，氣象學(xué)家會(huì)創(chuàng)造用于預(yù)測(cè)的計(jì)算機(jī)模擬這些破壞性風(fēng)暴如何形成以及它們可能傳播到哪里，這有助于防止對(duì)沿海社區(qū)造成損害。

當(dāng)您嘗試預(yù)測(cè)太空天氣而不是地球上的風(fēng)暴時(shí)，創(chuàng)建這些模擬變得有點(diǎn)復(fù)雜.

要模擬太空天氣，您需要將太陽(yáng)、行星以及它們之間的廣闊空白空間放在虛擬環(huán)境中，也稱(chēng)為模擬盒，所有計(jì)算都將在其中進(jìn)行。

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太空天氣與您在地球上看到的風(fēng)暴有很大不同。這些事件來(lái)自太陽(yáng)，太陽(yáng)從其表面噴射帶電粒子和磁場(chǎng)的噴發(fā)。

這些事件中最強(qiáng)大的稱(chēng)為行星際日冕物質(zhì)拋射，或日冕物質(zhì)拋射，其行進(jìn)速度接近每秒 1,800 英里（2,897 公里）。

從這個(gè)角度來(lái)看，單個(gè)日冕物質(zhì)拋射可以在不到兩秒鐘的時(shí)間內(nèi)將相當(dāng)于所有五大湖的物質(zhì)從紐約市移動(dòng)到洛杉磯——幾乎比說(shuō)“太空天氣”所需的速度還要快。

當(dāng)這些日冕物質(zhì)拋射撞擊地球時(shí)，它們可以引起地磁暴，在天空中表現(xiàn)為美麗的極光。這些風(fēng)暴還可能破壞關(guān)鍵技術(shù)基礎(chǔ)設(shè)施，例如干擾電網(wǎng)中的電力流動(dòng)并導(dǎo)致變壓器過(guò)熱和故障.

為了更好地理解如何這些風(fēng)暴會(huì)造成如此大的破壞，我們的研究團(tuán)隊(duì)創(chuàng)建了模擬，以展示風(fēng)暴如何與地球的天然磁屏蔽相互作用并觸發(fā)可能關(guān)閉電網(wǎng)的危險(xiǎn)地磁活動(dòng)。

在2025 年 10 月發(fā)表的研究在Astrophysical Journal，我們對(duì)這些來(lái)源之一進(jìn)行了建模地磁風(fēng)暴：從太陽(yáng)噴射中旋轉(zhuǎn)出的小龍卷風(fēng)狀渦流。這些渦流被稱(chēng)為通量繩和衛(wèi)星此前曾觀察到小助焊劑繩——但我們的工作幫助揭示了它們是如何產(chǎn)生的。

挑戰(zhàn)

我們的團(tuán)隊(duì)于 2023 年夏天開(kāi)始了這項(xiàng)研究，當(dāng)時(shí)我們中的一個(gè)人，太空天氣專(zhuān)家，發(fā)現(xiàn)空間天氣觀測(cè)中的不一致之處。這項(xiàng)工作發(fā)現(xiàn)，地磁風(fēng)暴發(fā)生在預(yù)計(jì)沒(méi)有太陽(yáng)噴發(fā)會(huì)襲擊地球的時(shí)期。

這位太空天氣專(zhuān)家感到困惑，想知道是否存在比日冕物質(zhì)拋射更小且不直接起源于太陽(yáng)噴發(fā)的太空天氣事件。他預(yù)測(cè)此類(lèi)事件可能會(huì)在太陽(yáng)和地球之間的空間中形成，而不是在太陽(yáng)的大氣層中形成。

這種較小的太空天氣事件的一個(gè)例子是磁通繩——像繩子一樣相互纏繞的磁場(chǎng)束。在太陽(yáng)噴發(fā)的計(jì)算機(jī)模擬中檢測(cè)到它將暗示這些空間天氣事件可能在哪里形成。

與衛(wèi)星觀測(cè)不同，在模擬中，您可以讓時(shí)鐘倒流或跟蹤上游事件以查看它們的起源。

于是他問(wèn)另一位作者，領(lǐng)先的仿真專(zhuān)家.事實(shí)證明，尋找較小的太空天氣事件并不像模擬一次大型太陽(yáng)噴發(fā)并讓計(jì)算機(jī)模型運(yùn)行足夠長(zhǎng)的時(shí)間讓噴發(fā)到達(dá)地球那么簡(jiǎn)單。

當(dāng)前的計(jì)算機(jī)模擬并不旨在解決這些較小的事件。相反，它們被設(shè)計(jì)為關(guān)注大型太陽(yáng)噴發(fā)因?yàn)檫@些對(duì)地球上的基礎(chǔ)設(shè)施影響最大。

這個(gè)缺口是相當(dāng)令人失望的。這就像試圖通過(guò)只顯示全球天氣模式的模擬來(lái)預(yù)測(cè)颶風(fēng)。因?yàn)槟憧床坏侥欠N規(guī)模的颶風(fēng)，所以你會(huì)完全錯(cuò)過(guò)它。

這些更大規(guī)模的模擬稱(chēng)為全局模擬。他們研究太陽(yáng)噴發(fā)如何在太陽(yáng)表面形成并在太空中傳播。

與獨(dú)立建模每個(gè)帶電粒子相比，這些模擬將漂浮在空間中的帶電粒子流和磁場(chǎng)視為流體，以降低計(jì)算成本。這就像測(cè)量瓶子里水的整體溫度，而不是單獨(dú)跟蹤每個(gè)水分子。

因?yàn)檫@些模擬是在如此廣闊的空間中發(fā)生的計(jì)算現(xiàn)象，所以它們無(wú)法解決每一個(gè)細(xì)節(jié)。為了經(jīng)濟(jì)實(shí)惠地解析太陽(yáng)和行星之間的廣闊空間，研究人員將空間分成大立方體——類(lèi)似于相機(jī)中的二維像素。

在模擬中，這些立方體每個(gè)代表一個(gè)寬、高、寬 100 萬(wàn)英里（160 萬(wàn)公里）的區(qū)域。這個(gè)距離大約相當(dāng)于從地球到太陽(yáng)的距離的 1%。

搜索開(kāi)始

我們的搜索始于大海撈針的感覺(jué)。我們正在研究舊的全球模擬，在比太陽(yáng)本身寬數(shù)百倍的空間區(qū)域內(nèi)尋找一個(gè)微小的、瞬態(tài)的斑點(diǎn)——這意味著通量繩。

我們最初的搜索沒(méi)有得到任何結(jié)果。

然后，我們將重點(diǎn)轉(zhuǎn)移到2024年5月太陽(yáng)噴發(fā)事件.這一次，我們特別研究了太陽(yáng)噴發(fā)與帶電粒子和磁場(chǎng)的安靜流動(dòng)相撞的區(qū)域，稱(chēng)為太陽(yáng)風(fēng)，在它前面。

它就在那里：一個(gè)獨(dú)特的系統(tǒng)磁通繩.

然而，我們的興奮是短暫的。我們無(wú)法分辨這些助焊劑繩從何而來(lái)。建模的磁通繩也太小而無(wú)法生存，最終因?yàn)樗鼈冏兊锰《鵁o(wú)法用我們的模擬網(wǎng)格解析而消失。

但這就是我們需要的線索類(lèi)型——太陽(yáng)噴發(fā)與太陽(yáng)風(fēng)碰撞的位置存在通量繩。

為了解決這個(gè)問(wèn)題，我們決定彌合這一差距，并創(chuàng)建一個(gè)網(wǎng)格大小比以前使用的全局模擬更精細(xì)的計(jì)算機(jī)模型。由于提高整個(gè)仿真空間的分辨率成本高得令人望而卻步，因此我們決定只沿通量繩的軌跡提高仿真分辨率。

新的模擬現(xiàn)在可以解析距離為地球 8,000 英里（或 128,000 公里）的六倍，小至數(shù)萬(wàn)英里的特征，比以前的模擬好近 100 倍。

發(fā)現(xiàn)

一旦我們?cè)O(shè)計(jì)并測(cè)試了模擬網(wǎng)格，就該模擬導(dǎo)致在粒度較小的模型中形成這些通量繩的相同太陽(yáng)噴發(fā)了。我們想研究這些通量繩的形成，以及它們?nèi)绾紊L(zhǎng)、改變形狀，并可能終止于圍繞太陽(yáng)和地球之間空間的狹窄楔形。

結(jié)果令人震驚。

高分辨率視圖顯示，當(dāng)太陽(yáng)噴發(fā)撞擊其前方較慢的太陽(yáng)風(fēng)時(shí)，通量繩形成。新結(jié)構(gòu)具有令人難以置信的復(fù)雜性和強(qiáng)度，持續(xù)時(shí)間比我們預(yù)期的要長(zhǎng)得多。

用氣象學(xué)的術(shù)語(yǔ)來(lái)說(shuō)，這就像看著颶風(fēng)催生一群龍卷風(fēng)。

我們發(fā)現(xiàn)這些渦流中的磁場(chǎng)足夠強(qiáng)，足以引發(fā)顯著的地磁風(fēng)暴并在地球上造成一些真正的麻煩。但最重要的是，模擬證實(shí)，在太陽(yáng)和地球之間的空間中確實(shí)存在局部形成的太空天氣事件。

我們的下一步是模擬太陽(yáng)風(fēng)中這種類(lèi)似龍卷風(fēng)的特征如何影響我們的星球和基礎(chǔ)設(shè)施。

模擬框的這個(gè)二維切割顯示了太陽(yáng)噴發(fā)，它迅速向地球移動(dòng)。噴發(fā)撞擊了前方較慢的太陽(yáng)風(fēng)，導(dǎo)致形成了一個(gè)磁通量繩索星座。

磁通繩在模擬框中顯示為孤島。實(shí)線代表磁力線，色條顯示帶電粒子的數(shù)量。通量繩在太陽(yáng)風(fēng)中形成后向地球移動(dòng)。

該視頻還展示了空間天氣調(diào)查前沿太空任務(wù)（SWIFT）如何檢查這些結(jié)構(gòu)在太陽(yáng)風(fēng)中的形成和生長(zhǎng)。

看著這些模擬中的磁通繩如此迅速地形成并向地球移動(dòng)，令人興奮，但也令人擔(dān)憂。這令人興奮，因?yàn)檫@一發(fā)現(xiàn)可以幫助我們更好地規(guī)劃未來(lái)的極端太空天氣事件。同時(shí)令人擔(dān)憂的是，這些助焊劑繩只會(huì)以當(dāng)今太空天氣監(jiān)測(cè)儀中的小插曲.

我們需要多顆衛(wèi)星直接更詳細(xì)地查看這些助焊劑繩，以便科學(xué)家可以更可靠地預(yù)測(cè)是否、何時(shí)以及在什么方向它們可能會(huì)影響我們的星球以及可能的結(jié)果。

好消息是科學(xué)家和工程師正在開(kāi)發(fā)下一代太空任務(wù)這可以解決這個(gè)問(wèn)題。

莫吉塔巴·阿卡萬(wàn)-塔夫提， 副研究科學(xué)家，密歇根大學(xué)和沃德 B. （奇普） 曼徹斯特，氣候與空間科學(xué)工程研究教授，密歇根大學(xué)

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