洋红色极光和陷入错乱的卫星：接管了美国宇航局演习的甘农太阳风暴

这张长曝光照片是从国际空间站拍摄的，当时它绕着印度洋上空268英里的轨道运行。照片中繁星闪烁，上方是环绕地球大气层的绿色和红色极光。图片来源：NASA

极光在远离两极的天空中舞动，卫星争先恐后地保持在轨道上，一条新的辐射带被发现。科学家们仍在探索这场风暴的秘密，这可能会影响我们如何应对未来太阳的反复无常。

模拟太阳的威胁

一年前，NASA 和大约 30 个其他美国政府机构联合开展了一项特殊的模拟任务。他们的任务是什么？为了应对来自太空的强大威胁，不是小行星或外星人入侵，而是离我们更近的某个东西：太阳。

这项名为“太空天气演习”的活动旨在模拟训练场景。专家们将演示如果大规模太阳风暴扰乱地球磁场可能会发生什么。这些被称为地磁风暴的风暴可能会摧毁卫星、扰乱GPS信号、导致电网超载，并使宇航员暴露在有害辐射下。模拟的目的是提高协调能力和应对能力，以防真正发生地磁风暴。

然后，意想不到的事情发生了。

2024年5月10日，一场强大的G5级地磁风暴袭击地球，极光照亮了天空，并影响了从地面到太空的各种系统。它目前被认为是同类风暴中记录最详尽的，研究人员仍在探索它能给我们带来哪些关于太阳天气的启示。图片来源：NASA/Joy Ng

“我们的计划是先演练一个假设情景，找出我们现有流程的有效性和需要改进的地方，”NASA华盛顿总部太空天气项目主任杰米·费沃斯（Jamie Favors）说道。“但我们的假设情景被一个非常真实的情景打断了。”

2024年5月10日，一场真正的G5级地磁风暴（最强级别）袭击了地球。这是20多年来最严重的一次。为了纪念著名太空气象学家詹妮弗·甘农，这场风暴被命名为甘农风暴。虽然没有造成大范围破坏，但它仍然提供了一个罕见的现实世界测试案例。一年后，科学家们从中汲取了大量经验教训，并利用这些经验更好地应对未来的太阳风暴。

美国宇航局（NASA）演习期间遭遇了一场真实的太阳风暴，揭示了太空天气的破坏力——从卫星干扰、天空发光到对火星的深层影响。甘农风暴的数据被证明是无价之宝。图片来源：NASA/Joy Ng

地面干扰

甘农风暴对地球内外都产生了影响。地面上，美国中西部的一些高压线路跳闸，变压器过热，GPS导航拖拉机偏离路线，进一步扰乱了已经因春季暴雨而延误的种植工作。

堪萨斯州立大学农业经济学教授特里·格里芬表示：“并非所有农场都受到影响，但平均每个农场损失约1.7万美元。这虽然不是灾难性的，但他们会错过。”

一些现代拖拉机使用GPS帮助农民高效种植，并最大限度地提高作物产量。然而，在2024年5月的甘农风暴期间，某些GPS导航拖拉机型号偏离了路线或停止工作，扰乱或延误了许多美国农民的种植。

天空中的湍流

在空中，更高辐射暴露的威胁以及通讯和导航的中断，迫使跨大西洋航班改变航线。

在风暴期间，地球上层大气（称为热层）的温度异常高。在100英里的高度，温度通常达到1200华氏度（约777摄氏度），但在风暴期间，温度超过了2100华氏度（约1077摄氏度）。美国宇航局的GOLD（全球尺度边缘和圆盘观测）任务观测到，大气因高温而膨胀，形成一股强风，将重氮粒子吹向更高的地方。

2024年5月10日至11日，甘农风暴来袭期间，许多跨大西洋航班选择更偏南的航线飞越大西洋，以避免乘客和机组人员受到更高辐射的风险，并避免在靠近北极时可能出现的通信和导航故障。第一张图片显示的是2024年5月11日（世界标准时间3:30，即5月10日美国东部时间晚上11:30）甘农风暴期间的航班航线快照，当时航班被重新安排到更偏南的航线。第二张图片显示的是一周后，即2024年5月18日（世界标准时间3:30）的航班航线，当时航班仍按常规航线飞行。图片来源：Flightradar24

轨道混沌与卫星应变

在轨道上，膨胀的大气层增加了数千颗卫星的阻力。NASA的ICESat-2卫星失去高度并进入安全模式，而NASA的科罗拉多内辐射带实验（CIRBE）立方体卫星在风暴五个月后提前脱离轨道。其他卫星，例如欧洲航天局的“哨兵”任务，则需要更多动力来维持轨道并进行机动以避免与太空碎片碰撞。

这场风暴还极大地改变了大气层电离层的结构。通常在夜间覆盖赤道的电离层密集区域呈勾形向南极倾斜，导致赤道附近出现暂时性空隙。

这张GOLD数据图像中独特的漩涡显示了较轻的氧与氮的比例，这是一项关键的大气指标，它揭示了地球热层中一种此前从未见过的结构。图片来源：Evans等人，2024

甘农风暴也震动了地球的磁层，即环绕地球的磁泡。NASA的MMS（磁层多尺度）任务和THEMIS-ARTEMIS（即“事件和宏观尺度相互作用的时间历史——月球与太阳相互作用的加速、重联、湍流和电动力学”的缩写）数据表明，日冕物质抛射的边缘出现了巨大的、卷曲的粒子波和卷起的磁场。这些波的大小恰到好处，能够在撞击时周期性地向磁层释放额外的磁能和质量，从而形成20年来磁层中观测到的最大电流。

来自太阳的能量和粒子也在磁层内形成了两条新的临时高能粒子带。这些粒子带由CIRBE发现，形成于永久环绕地球的范艾伦辐射带之间。这条粒子带的发现对于可能受到辐射带中高能电子和质子威胁的航天器和宇航员来说至关重要。

甘农风暴在两条永久性范艾伦辐射带之间形成了两条额外的辐射带。其中一条新辐射带（图中紫色部分）包含大量质子，使其呈现出前所未有的独特成分。新辐射带的发现对于保护发射到地球静止轨道的航天器尤为重要，因为它们在到达最终轨道之前要多次穿越范艾伦辐射带。图片来源：NASA戈达德太空飞行中心/约翰·霍普金斯大学应用物理实验室

全球极光秀

这场风暴还引发了全球各地的极光现象，包括一些罕见的天文现象。美国宇航局的“极光龙”项目收到了来自55个国家和七大洲的6000多份观测报告。

摄影师帮助科学家理解了为什么日本各地观测到的极光是洋红色而不是典型的红色。研究人员研究了数百张照片，发现这些极光的高度惊人——距地面约600英里（比通常出现的红色极光高200英里）。

在日本，红色极光很常见，但许多天文爱好者却拍摄到了不寻常的洋红色极光照片。研究人员通过社交媒体分享的数百张类似照片，发现洋红色极光的高度异常高——大约在地面以上600英里（而红色极光通常最高高度为400英里）。图片来源：KAGAYA

研究小组在《科学报告》杂志上发表的一篇论文中表示，这种奇特的颜色可能是由红色和蓝色极光混合而成的，这种颜色是由于甘农风暴加热并扩大高层大气时氧气和氮气分子比平常升得更高而产生的。

“通常需要一些特殊情况才能出现，就像我们去年五月看到的那样，”NASA戈达德太空飞行中心的合著者乔什·佩蒂特在谈到日本的洋红色极光时说道。“这确实是一次非常独特的事件。”

这张动图中的紫色部分显示了火星背面的极光，这些极光是由美国宇航局（NASA）火星大气与挥发物演化（MAVEN）轨道器上的成像紫外光谱仪探测到的。紫色越亮，极光越多。MAVEN 在 2024 年 5 月 14 日至 20 日期间拍摄了这些图像，当时太阳风暴产生的高能粒子正抵达火星。当能量最高的粒子抵达火星，仪器发出的噪音淹没了仪器时，图像序列在最后暂停。MAVEN 在绕火星轨道飞行时，仰望着火星的背面进行了观测。（右侧可以看到火星南极，阳光充足。）图片来源：NASA/科罗拉多大学/LASP

不仅仅是地球

太阳活动增强的影响并未止步于地球。引发甘农风暴的太阳活跃区最终旋转远离地球，并将其爆发转向火星。

当来自太阳的高能粒子撞击火星大气层时，美国宇航局的 MAVEN（火星大气和挥发物演化）轨道器在 5 月 14 日至 20 日期间观测到极光吞噬这颗红色星球。

太阳粒子淹没了美国宇航局 2001 年火星奥德赛轨道器（使用恒星来定位航天器）上的星空相机，导致相机停止工作近一个小时。

在火星表面，美国宇航局“好奇号”探测器导航摄像机拍摄的图像布满了“雪花”——由带电粒子造成的条纹和斑点。与此同时，好奇号的辐射评估探测器记录到了自2012年探测器着陆以来最大的辐射激增。如果宇航员当时在那里，他们将受到8100微戈瑞的辐射剂量，相当于30次胸片X光检查。

这组图像中的斑点是由来自太阳的带电粒子于2024年5月20日撞击NASA“好奇号”火星探测器上的一台导航摄像机造成的。该序列还显示了当时恰好发生在火星表面的阵风的影响。图片来源：NASA/JPL-Caltech

历史数据，持续洞察

甘农风暴将极光传播到异常低的纬度地区，被称为历史上记录最详尽的地磁风暴。一年过去了，我们才刚刚开始揭开它的故事。此次历史性事件中采集的数据将在未来数年内进行分析，揭示关于地磁风暴性质以及如何有效应对的新教训。

编译自/ScitechDaily