新模型显示太阳“龙卷风”如何对地球造成严重破坏

天气预报是一个强大的工具。例如，在飓风季节，气象学家会创造用于预测的计算机模拟这些破坏性风暴如何形成以及它们可能传播到哪里，这有助于防止对沿海社区造成损害。

当您尝试预测太空天气而不是地球上的风暴时，创建这些模拟变得有点复杂.

要模拟太空天气，您需要将太阳、行星以及它们之间的广阔空白空间放在虚拟环境中，也称为模拟盒，所有计算都将在其中进行。

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太空天气与您在地球上看到的风暴有很大不同。这些事件来自太阳，太阳从其表面喷射带电粒子和磁场的喷发。

这些事件中最强大的称为行星际日冕物质抛射，或日冕物质抛射，其行进速度接近每秒 1,800 英里（2,897 公里）。

从这个角度来看，单个日冕物质抛射可以在不到两秒钟的时间内将相当于所有五大湖的物质从纽约市移动到洛杉矶——几乎比说“太空天气”所需的速度还要快。

当这些日冕物质抛射撞击地球时，它们可以引起地磁暴，在天空中表现为美丽的极光。这些风暴还可能破坏关键技术基础设施，例如干扰电网中的电力流动并导致变压器过热和故障.

为了更好地理解如何这些风暴会造成如此大的破坏，我们的研究团队创建了模拟，以展示风暴如何与地球的天然磁屏蔽相互作用并触发可能关闭电网的危险地磁活动。

在2025 年 10 月发表的研究在Astrophysical Journal，我们对这些来源之一进行了建模地磁风暴：从太阳喷射中旋转出的小龙卷风状涡流。这些涡流被称为通量绳和卫星此前曾观察到小助焊剂绳——但我们的工作帮助揭示了它们是如何产生的。

挑战

我们的团队于 2023 年夏天开始了这项研究，当时我们中的一个人，太空天气专家，发现空间天气观测中的不一致之处。这项工作发现，地磁风暴发生在预计没有太阳喷发会袭击地球的时期。

这位太空天气专家感到困惑，想知道是否存在比日冕物质抛射更小且不直接起源于太阳喷发的太空天气事件。他预测此类事件可能会在太阳和地球之间的空间中形成，而不是在太阳的大气层中形成。

这种较小的太空天气事件的一个例子是磁通绳——像绳子一样相互缠绕的磁场束。在太阳喷发的计算机模拟中检测到它将暗示这些空间天气事件可能在哪里形成。

与卫星观测不同，在模拟中，您可以让时钟倒流或跟踪上游事件以查看它们的起源。

于是他问另一位作者，领先的仿真专家.事实证明，寻找较小的太空天气事件并不像模拟一次大型太阳喷发并让计算机模型运行足够长的时间让喷发到达地球那么简单。

当前的计算机模拟并不旨在解决这些较小的事件。相反，它们被设计为关注大型太阳喷发因为这些对地球上的基础设施影响最大。

这个缺口是相当令人失望的。这就像试图通过只显示全球天气模式的模拟来预测飓风。因为你看不到那种规模的飓风，所以你会完全错过它。

这些更大规模的模拟称为全局模拟。他们研究太阳喷发如何在太阳表面形成并在太空中传播。

与独立建模每个带电粒子相比，这些模拟将漂浮在空间中的带电粒子流和磁场视为流体，以降低计算成本。这就像测量瓶子里水的整体温度，而不是单独跟踪每个水分子。

因为这些模拟是在如此广阔的空间中发生的计算现象，所以它们无法解决每一个细节。为了经济实惠地解析太阳和行星之间的广阔空间，研究人员将空间分成大立方体——类似于相机中的二维像素。

在模拟中，这些立方体每个代表一个宽、高、宽 100 万英里（160 万公里）的区域。这个距离大约相当于从地球到太阳的距离的 1%。

搜索开始

我们的搜索始于大海捞针的感觉。我们正在研究旧的全球模拟，在比太阳本身宽数百倍的空间区域内寻找一个微小的、瞬态的斑点——这意味着通量绳。

我们最初的搜索没有得到任何结果。

然后，我们将重点转移到2024年5月太阳喷发事件.这一次，我们特别研究了太阳喷发与带电粒子和磁场的安静流动相撞的区域，称为太阳风，在它前面。

它就在那里：一个独特的系统磁通绳.

然而，我们的兴奋是短暂的。我们无法分辨这些助焊剂绳从何而来。建模的磁通绳也太小而无法生存，最终因为它们变得太小而无法用我们的模拟网格解析而消失。

但这就是我们需要的线索类型——太阳喷发与太阳风碰撞的位置存在通量绳。

为了解决这个问题，我们决定弥合这一差距，并创建一个网格大小比以前使用的全局模拟更精细的计算机模型。由于提高整个仿真空间的分辨率成本高得令人望而却步，因此我们决定只沿通量绳的轨迹提高仿真分辨率。

新的模拟现在可以解析距离为地球 8,000 英里（或 128,000 公里）的六倍，小至数万英里的特征，比以前的模拟好近 100 倍。

发现

一旦我们设计并测试了模拟网格，就该模拟导致在粒度较小的模型中形成这些通量绳的相同太阳喷发了。我们想研究这些通量绳的形成，以及它们如何生长、改变形状，并可能终止于围绕太阳和地球之间空间的狭窄楔形。

结果令人震惊。

高分辨率视图显示，当太阳喷发撞击其前方较慢的太阳风时，通量绳形成。新结构具有令人难以置信的复杂性和强度，持续时间比我们预期的要长得多。

用气象学的术语来说，这就像看着飓风催生一群龙卷风。

我们发现这些涡流中的磁场足够强，足以引发显着的地磁风暴并在地球上造成一些真正的麻烦。但最重要的是，模拟证实，在太阳和地球之间的空间中确实存在局部形成的太空天气事件。

我们的下一步是模拟太阳风中这种类似龙卷风的特征如何影响我们的星球和基础设施。

模拟框的这个二维切割显示了太阳喷发，它迅速向地球移动。喷发撞击了前方较慢的太阳风，导致形成了一个磁通量绳索星座。

磁通绳在模拟框中显示为孤岛。实线代表磁力线，色条显示带电粒子的数量。通量绳在太阳风中形成后向地球移动。

该视频还展示了空间天气调查前沿太空任务（SWIFT）如何检查这些结构在太阳风中的形成和生长。

看着这些模拟中的磁通绳如此迅速地形成并向地球移动，令人兴奋，但也令人担忧。这令人兴奋，因为这一发现可以帮助我们更好地规划未来的极端太空天气事件。同时令人担忧的是，这些助焊剂绳只会以当今太空天气监测仪中的小插曲.

我们需要多颗卫星直接更详细地查看这些助焊剂绳，以便科学家可以更可靠地预测是否、何时以及在什么方向它们可能会影响我们的星球以及可能的结果。

好消息是科学家和工程师正在开发下一代太空任务这可以解决这个问题。

莫吉塔巴·阿卡万-塔夫提， 副研究科学家，密歇根大学和沃德 B. （奇普） 曼彻斯特，气候与空间科学工程研究教授，密歇根大学

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