新模型顯示太陽“龍卷風”如何對地球造成嚴重破壞

天氣預報是一個強大的工具。例如，在颶風季節(jié)，氣象學家會創(chuàng)造用于預測的計算機模擬這些破壞性風暴如何形成以及它們可能傳播到哪里，這有助于防止對沿海社區(qū)造成損害。

當您嘗試預測太空天氣而不是地球上的風暴時，創(chuàng)建這些模擬變得有點復雜.

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

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

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

從這個角度來看，單個日冕物質拋射可以在不到兩秒鐘的時間內將相當于所有五大湖的物質從紐約市移動到洛杉磯——幾乎比說“太空天氣”所需的速度還要快。

當這些日冕物質拋射撞擊地球時，它們可以引起地磁暴，在天空中表現(xiàn)為美麗的極光。這些風暴還可能破壞關鍵技術基礎設施，例如干擾電網(wǎng)中的電力流動并導致變壓器過熱和故障.

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

在2025 年 10 月發(fā)表的研究在Astrophysical Journal，我們對這些來源之一進行了建模地磁風暴：從太陽噴射中旋轉出的小龍卷風狀渦流。這些渦流被稱為通量繩和衛(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)

我們的團隊于 2023 年夏天開始了這項研究，當時我們中的一個人，太空天氣專家，發(fā)現(xiàn)空間天氣觀測中的不一致之處。這項工作發(fā)現(xiàn)，地磁風暴發(fā)生在預計沒有太陽噴發(fā)會襲擊地球的時期。

這位太空天氣專家感到困惑，想知道是否存在比日冕物質拋射更小且不直接起源于太陽噴發(fā)的太空天氣事件。他預測此類事件可能會在太陽和地球之間的空間中形成，而不是在太陽的大氣層中形成。

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

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

于是他問另一位作者，領先的仿真專家.事實證明，尋找較小的太空天氣事件并不像模擬一次大型太陽噴發(fā)并讓計算機模型運行足夠長的時間讓噴發(fā)到達地球那么簡單。

當前的計算機模擬并不旨在解決這些較小的事件。相反，它們被設計為關注大型太陽噴發(fā)因為這些對地球上的基礎設施影響最大。

這個缺口是相當令人失望的。這就像試圖通過只顯示全球天氣模式的模擬來預測颶風。因為你看不到那種規(guī)模的颶風，所以你會完全錯過它。

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

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

因為這些模擬是在如此廣闊的空間中發(fā)生的計算現(xiàn)象，所以它們無法解決每一個細節(jié)。為了經(jīng)濟實惠地解析太陽和行星之間的廣闊空間，研究人員將空間分成大立方體——類似于相機中的二維像素。

在模擬中，這些立方體每個代表一個寬、高、寬 100 萬英里（160 萬公里）的區(qū)域。這個距離大約相當于從地球到太陽的距離的 1%。

搜索開始

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

我們最初的搜索沒有得到任何結果。

然后，我們將重點轉移到2024年5月太陽噴發(fā)事件.這一次，我們特別研究了太陽噴發(fā)與帶電粒子和磁場的安靜流動相撞的區(qū)域，稱為太陽風，在它前面。

它就在那里：一個獨特的系統(tǒng)磁通繩.

然而，我們的興奮是短暫的。我們無法分辨這些助焊劑繩從何而來。建模的磁通繩也太小而無法生存，最終因為它們變得太小而無法用我們的模擬網(wǎng)格解析而消失。

但這就是我們需要的線索類型——太陽噴發(fā)與太陽風碰撞的位置存在通量繩。

為了解決這個問題，我們決定彌合這一差距，并創(chuàng)建一個網(wǎng)格大小比以前使用的全局模擬更精細的計算機模型。由于提高整個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)萬英里的特征，比以前的模擬好近 100 倍。

發(fā)現(xiàn)

一旦我們設計并測試了模擬網(wǎng)格，就該模擬導致在粒度較小的模型中形成這些通量繩的相同太陽噴發(fā)了。我們想研究這些通量繩的形成，以及它們如何生長、改變形狀，并可能終止于圍繞太陽和地球之間空間的狹窄楔形。

結果令人震驚。

高分辨率視圖顯示，當太陽噴發(fā)撞擊其前方較慢的太陽風時，通量繩形成。新結構具有令人難以置信的復雜性和強度，持續(xù)時間比我們預期的要長得多。

用氣象學的術語來說，這就像看著颶風催生一群龍卷風。

我們發(fā)現(xiàn)這些渦流中的磁場足夠強，足以引發(fā)顯著的地磁風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，在太陽和地球之間的空間中確實存在局部形成的太空天氣事件。

我們的下一步是模擬太陽風中這種類似龍卷風的特征如何影響我們的星球和基礎設施。

模擬框的這個二維切割顯示了太陽噴發(fā)，它迅速向地球移動。噴發(fā)撞擊了前方較慢的太陽風，導致形成了一個磁通量繩索星座。

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

該視頻還展示了空間天氣調查前沿太空任務（SWIFT）如何檢查這些結構在太陽風中的形成和生長。

看著這些模擬中的磁通繩如此迅速地形成并向地球移動，令人興奮，但也令人擔憂。這令人興奮，因為這一發(fā)現(xiàn)可以幫助我們更好地規(guī)劃未來的極端太空天氣事件。同時令人擔憂的是，這些助焊劑繩只會以當今太空天氣監(jiān)測儀中的小插曲.

我們需要多顆衛(wèi)星直接更詳細地查看這些助焊劑繩，以便科學家可以更可靠地預測是否、何時以及在什么方向它們可能會影響我們的星球以及可能的結果。

好消息是科學家和工程師正在開發(fā)下一代太空任務這可以解決這個問題。

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

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