下一次大型太阳风暴可能会破坏电网 - 华尔街日报
Christopher Mims
有一天，你醒来，发现停电了。你试图在手机上获取信息，但却没有网络连接。渐渐地，你发现美国各地有数百万人面临着同样的情况——这将导致数月甚至数年的重建。
一场 巨大的太阳风暴 袭击了地球。
在任何一年中，发生足以造成如此广泛影响的风暴的几率都很低。而这些影响的严重程度将 取决于许多因素，包括当天地球磁场的状态。但几乎可以肯定的是，这种灾难的某种形式 总有一天会发生，约翰斯·霍普金斯大学应用物理实验室的太阳物理学首席科学家伊恩·科恩说。
为了应对这一威胁，美国和国际政府机构的松散联盟以及与这些机构有关联的数百名科学家已经开始研究太阳可能会做些什么的预测。而一小部分日益增长的科学家团体认为，人工智能将是提前预警此类风暴的必不可少的组成部分。
这些太阳风暴中最危险的一种被称为 日冕物质抛射，当太阳大气层中的巨大带电粒子团被快速变化的磁场抛射出来，速度超过声速的8000倍。这种情况经常发生，但我们很少意识到，因为它们只有在击中地球时才会影响我们。
这些巨大的粒子爆发对我们的电网和电子设备造成危险的原因在于，当它们与地球相撞时，太阳磁场与我们地球的磁场相互作用会在地球上的电力线路中产生大电流。如果你曾经在科学课上将磁铁来回在铜线上移动以点亮灯泡，那么这就是同样的效应，只不过是在全球范围内。太阳风暴可以在电力线路中产生足够强的电流，足以触发安全机制，甚至严重损坏我们的电力分配基础设施。
太阳风暴还可能对围绕地球高轨道上的卫星构成威胁，比如构成我们GPS系统的卫星，因为它们可能会带来所谓的致命电子的激增，这些电子可以损坏甚至在极端情况下使卫星失效。靠近地球，太阳风暴可以加热大气层，导致其膨胀，增加阻力，这可能导致一些低轨道卫星坠毁到地表。这种情况在2022年2月发生，导致了40颗Starlink卫星的损毁。
太阳风暴已经一次又一次地袭击过地球。1859年，一场如今传为佳话的卡林顿事件袭击了地球，当时我们还没有建立起依赖电子设备的文明，而这些设备可能会被摧毁。这场事件导致了加勒比地区南部出现极光，电报线路出现火花，一些电报站发生火灾，并且关闭了北半球部分电报网络。
关于大型太阳风暴袭击地球的频率，估计各不相同。科罗拉多大学博尔德分校的教授德洛雷斯·尼普的研究表明，能够在与卡林顿事件发生时相同纬度上看到极光的太阳风暴大约每60年发生一次。另一方面，科恩估计每150年左右地球就会遭遇一次重大风暴。这些不同的估计在一定程度上反映了我们对“卡林顿级”太阳风暴没有一个正式或者说是一个很好的定义。
然而，即使不是最强烈的风暴也能对基础设施造成严重破坏。1972年，一场太阳风暴导致越南海域的多达4000枚磁敏感地雷爆炸，同时短暂地让美国国防部的一颗卫星误以为俄罗斯刚刚引爆了一颗核弹。1989年，一场风暴让魁北克停电了九个小时。
我们正在进入太阳活动的高峰期——其11年周期的顶峰将在2024年中期到来——这个周期已经被证明比过去三十年的太阳周期更加剧烈。科恩表示，就像地球有飓风季节一样，我们正在进入太阳风暴季节。关于下一次重大事件，“我不认为我们会被击退到石器时代，但是可能会发生重大事件，”他说。“我们必须做好准备，”他补充道。
目前，没有任何预警系统能够提前通知我们即将发生的毁灭性太阳风暴的时间超过几小时。如果太阳风暴移动速度足够快，警告时间可能只有15分钟。最有用的监测设备是一颗围绕太阳轨道运行的卫星，这颗卫星由美国于2015年发射，比太阳距离地球更近，因此当快速移动的太阳风暴穿过它的轨道时，我们只能得到一个小时甚至更短的警告时间。
欧洲航天局提出了一个系统，通过将一颗名为“Vigil”的卫星放置到围绕太阳轨道上，与地球到太阳的距离大致相同，来提前警告太阳风暴。这样可能能够提前五个小时警告我们即将发生的太阳风暴，足够时间让我们做一件最主要的事情来保护电子设备：关闭它们。
但是，如果有一种方法可以通过分析我们已有的数据更好地预测太阳风暴呢？这就是一个由前沿发展实验室的科学家们提出的新想法，他们最近推出了一种AI 动力模型。前沿发展实验室是一个包括美国宇航局、美国地质调查局和美国能源部在内的公私合作伙伴关系。该模型使用深度学习，一种人工智能类型，来分析太阳风的流动，这是通常平静的粒子流，从太阳流向太阳系，甚至延伸到冥王星轨道之外。
利用对太阳风的观测，该模型可以预测太阳风暴在地球任意给定点引起的“地磁扰动”，参与研究的科学家表示。当太阳风暴到来时，该模型可以预测地球磁场的通量有多大，从而可以预测输电线路和海底光缆中感应电流的大小。
研究人工智能如何更好地预测太阳风暴的影响仍处于早期阶段，部分原因是整个空间天气领域都很新颖，科罗拉多大学的科学家恩里科·坎波雷亚莱表示，他隶属于负责预测空间天气的政府机构——空间天气预测中心。
构建基于人工智能的系统来预测空间天气需要大量高空间和时间分辨率的良好数据。国家太阳观测台的天文学家汤姆·沙德表示，利用我们目前的观测太阳的工具来实现这一点是一个挑战，因为我们拥有的大多数卫星和地面传感器都是科学实验，而不是旨在作为早期预警系统的“运营化”。
帕克探测器在一项刚刚发表的研究中揭示，一年前飞越了一次日冕物质抛射。那次遭遇的结果显示，它的暴力程度与1859年的卡林顿事件一样大，不过幸运的是它发生在太阳对地球的另一侧。
其他太空系统，包括欧空局的“Vigil”号飞船和美国宇航局的老化太阳观测卫星的后续，以及地球上的项目，比如计划在科罗拉多州博尔德市建立的日冕太阳磁观测台，都将收集更多关键数据。
目前，未来基于人工智能的太阳天气预警系统的第一个原始祖先已经上线。这个DstLive系统于2022年12月在网上首次亮相，它利用机器学习来获取有关地球磁场状态和太阳风的数据，并将两者转化为一个称为DST的全球统一指标。可以把它看作是用于太阳风暴的里氏震级。这个数字旨在让我们了解一个风暴对地球的影响有多强烈，提前一到六小时。
不幸的是，我们可能要等到经历一次重大太阳风暴才能知道这类系统有多有用。但许多致力于更好地理解这类风暴的科学家们正在共同努力说服世界，做好准备符合我们的最佳利益，而提前预测是其中至关重要的一部分。
为此，2024年初，雇佣科恩博士的应用物理实验室将举办一场“桌面演练”，模拟一次重大太阳风暴袭击地球。这将汇集政府机构和外部各方，让他们看看他们能够多好地处理这样的灾难。这与将军们进行战争游戏时确定谁会赢得战斗，比如台湾之战，是一样的练习。
在某些方面，赌注甚至可能更高。
请写信给克里斯托弗·明斯，邮箱：[email protected]
发表于2023年10月12日的印刷版上，标题为“太阳风暴可能摧毁电网。提前警报有助于避免混乱。”。