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首幅”地电风险”地图告诉你太阳风暴”重灾区”在哪


太阳风暴不仅会引发极光,还会产生扰乱电网的电涌。当停电发生时,起因通常是区域性的灾害,如美国东北部的冰暴或者东南部的飓风。美国《Science》杂志报道称,美国中西部拥有独特摧毁电网的风暴——太空天气。

科学家近日研究发现,从来自太阳的带电粒子风暴造成的破坏来看,美国中西部处于最危险的境地。带电粒子风暴会撞向地球并且沿着输电线传送浪涌电流,从而熔化变压器并触发大停电。根据此项研究,在明尼苏达州北部和威斯康辛州,这些电涌的强度是美国其他地方的100倍。

几十年来,科学家一直试图预测地电风暴,但受到数据匮乏的阻碍。如今,研究人员创建了针对美国本土大部分区域的首幅“地电风险”地图。这幅新地图旨在预测大规模地电风暴在哪些地方最严重,而不是为让电网变得安全或者对大型风暴短期预警提供地方性建议。该地图利用了关于此类风暴强度的两个最大因素数据——太空天气和地球磁场之间可能的相互作用数据以及地壳的导电性数据。

美国地质调查局地球物理学家、研究首席作者Jeffrey Love介绍说,做这些研究的目的是为了帮助电力公司应对地电风暴所产生的不可避免的影响。很多公司已经通过美国政府的数据,让电网保持安全。比如,国家海洋和大气管理局会提供太空天气预报,并预先通知一些即将到来的风暴。不过,科学家们认为,还可以做得更好。并未参与此项研究的天主教大学太空物理学家Chigomezyo Ngwira表示,在他看来,这个领域的每个人都意识到该问题的重要性,并且试图尽快解决问题。

对于人类来说,由太空天气引发的问题最早可追溯至1859年。当时,由太阳喷射的大规模等离子体同地球相撞,诱发了流经电报电缆的电流。这次所谓的卡林顿事件烧焦了北美和欧洲的电线,电晕甚至烧死了一些电报员。如今,虽然电力网络取代了电报线缆,但它们同样很脆弱。一项最新研究表明,在今天,一场和卡林顿事件同样严重的太阳风暴会导致约2万亿美元的损失。

最新绘制的地图将美国中西部北缘,尤其是明尼苏达州和威斯康辛州,列为易受地电风暴影响的地区。这基于两个原因,首先地球磁场的形状导致太空天气在较高纬度的地区会产生更大影响。当太阳喷射的物质和能量撞向地球的环形磁场时,一部分发生了偏移,但其余的会被“分流”至磁极附近的地面。这种物质同地球磁场发生相互作用,并产生流经地球表面的极光和电涌。电网越靠近磁极,其在地电风暴期间出现问题的可能性就越大。利用地磁观测台的网络历史数据,研究人员得以计算出此类风暴在某个特定地区的强度。

不过,这并非是唯一起作用的因素,其实地壳的某些区域比其他部分更具导电性。在过去几年里,美国国家科学基金会资助了一项针对该国大部分地区开展的大地电磁测勘。研究人员将电压表放入地下,并且测量了它们之间的电流。加上美国地质调查局所做的工作,这些数据帮助研究人员构建了电流如何通过地球的画面。一般来说,岩石的导电性能并不是很好。这也是为什么来自太阳风暴的电流通常通过电网基础设施的金属来形成完整电路的原因。

其实岩石的类型更加至关重要。比如,美国中西部拥有两种可以共同为电流创造绝佳导电机会的岩石。更具导电性的沉积岩位于绝缘的火成岩残留物下面,形成于11亿年前的某个时间段。当时,北美几乎被分为两半,火成岩从底下抬升上来。如今,两个岩层之间的反差让地电风暴期间的本地强电流的形成变成可能。

不过,目前研究人员尚未对美国所有地区的导电性进行调查。一旦资助得到保障,研究员们都非常希望将最新绘制的地图扩展到新英格兰地区。原因不仅在于该地区拥有古老、复杂的地质情况,从而能揭示意料之外的导电性反差,并且它足够靠北,能接收来自地电风暴的更多能量。太空物理学家Chigomezyo Ngwira表示,相关数据会帮助电力公司保护纽约、波士顿和其他大城市的电网。

其实在国内,太阳风暴观测任务的重视程度不亚于国外。中国科学家团队正全力以赴推进太阳探测卫星计划。他们希望赶在下一个太阳活动峰年的前夕(即2021年),将卫星射入轨道,以完整记录太阳活动第25周的“太阳风暴”。

太阳活动具有11年的周期。目前太阳处于第24活动周的下降期,预期太阳活动25周将于2020年左右开始,极大预计在2023年至2024年。太阳探测卫星计划于2021年发射,以赶在太阳活动极大前就位。届时肯定会是天文爱好者的一次盛宴。

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