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从炽热太阳流出的太阳风驱动着极光，其亮度足以在远离两极的地方被看到，这是极端地磁暴的耀眼标志。图片来源：尼廷西瓦达斯，美国国家航空航天局戈达德太空飞行中心

地球可能比科学家们之前意识到的更容易受到强烈太阳风暴的影响，极端太阳风暴对现代科技的冲击可能是此前模型预测的两倍。

地球的磁屏蔽可能并不像科学家曾经认为的那样存在安全上限。新研究表明，最强烈的太阳风暴对地球高层大气的干扰程度可能达到传统估计的两倍。

这一发现挑战了一个已有数十年历史的假设，该假设涉及地球在遭遇异常强烈的太阳风时会如何反应。地球的地磁响应并非达到最大值后趋于平稳，而是可能随着条件变得更极端而持续增强。

这可能会对一个日益依赖卫星、GPS、无线电通信、航空和互联电网的世界造成严重后果。

这项发表在《自然》杂志上的研究由美国国家航空航天局戈达德太空飞行中心的尼廷西瓦达斯博士领导，兰开斯特大学的玛丽亚瓦拉赫博士也参与其中。研究探讨了为何长期以来的测量似乎显示地磁活动强度存在上限。

空间天气如何威胁技术

空间天气始于太阳活动。太阳风是带电粒子的持续流，它向外穿过太阳系并与地球磁场相互作用。太阳爆发会极大地增强这种流动，向地球发送扰动。

当这些粒子到达地球时，它们会将能量传递到磁层，并在高层大气中产生强大的电流。同样的过程能产生绚丽的极光，但在极端事件中，它还会干扰卫星、破坏导航和通信信号、增加宇航员和飞行员的辐射暴露，并在电网中诱发破坏性电流。

瓦拉赫博士说：我们星球的磁场在保护我们免受许多空间天气影响方面做得非常出色，因此这些影响往往只是表现为小故障或美丽的极光。不过，也存在一些极端情况，比如卫星意外坠落地球，或者我们失去通信和GPS信号。

磁屏蔽的假定极限

科学家们此前认为，地球的响应强度存在一个内在限制。测量结果表明，大气电流会随着太阳风的增强而上升，但最终不再以相同速率增加。研究人员针对这种明显的饱和现象提出了几种物理解释，包括磁层限制进入上层大气的能量总量的理论。

这项新研究提出了一个截然不同的解释。所谓的上限可能是由测量本身的不确定性造成的统计错觉。

太阳风状况通常由位于第一拉格朗日点（或称L1点）附近的航天器记录，该点比地球距太阳大约近100万英里（160万公里）。从那里，航天器可以提前预警即将到来的空间天气。然而，太阳风在到达地球之前仍会继续移动和变化。

这段距离会导致实际撞击地球的太阳风的时间和强度都存在不确定性。在L1点测得的一个特别极端的数值可能无法完美反映几分钟后磁层的状况。

均值回归

当研究人员分析罕见事件时，这一点变得尤为重要。异常高的测量值更可能包含异常大的误差。与这些测量值相关的真实情况往往更接近平均值，这种统计趋势被称为均值回归。

因此，在L1点测量到的极端太阳风数据可能会与地球这边较不极端的响应形成对比。当把许多这类观测结果结合起来时，这种不匹配可能会让人觉得地球的响应不再成比例，即使实际上还没有达到物理极限。

研究人员使用绕地球近轨道运行的NASA航天器收集的超过100万次测量数据测试了这种可能性。他们还使用统计方法来解释太阳风的时间和强度的不确定性。

一旦这些不确定性得到纠正，明显的饱和现象就基本消失了。地球的地磁响应在观测范围内与太阳风的强度仍然密切成正比。分析表明，最极端风暴的影响可能大约是早期模型所显示的两倍。

为罕见的极端风暴做准备

这些发现并未表明地球的反应在所有可能的条件下都会持续增强。最强的太阳风暴极为罕见，因此科学家们几乎没有直接证据来了解地球会如何应对这种可能每几百或几千年才发生一次的事件。

然而，这项研究没有找到令人信服的统计证据来支持许多理论和模型中纳入的保护性上限。这意味着那些假设地球的反应最终会趋于平稳的模型，可能会低估最强烈太阳风暴带来的风险。

瓦拉赫博士表示：如果地球对太阳风的反应没有上限，那么极端情况的建模就需要考虑这一点，我们也应该警惕空间天气的影响。幸运的是，这类极端情况非常罕见，但这也意味着我们可用的数据有限，只有时间才能告诉我们那些千年一遇的极端事件会发生什么。

西瓦达斯博士表示：我们通常认为真相可能在其测量值附近。但概率论表明它会偏向某一侧。这就是为什么空间天气风险似乎被低估了。

相关知识

太阳风暴是太阳表面剧烈活动（如耀斑、日冕物质抛射）释放的高能带电粒子流与强磁场等向外抛射的现象。它可能干扰地球磁场，影响卫星运行、无线电通信，甚至引发电网波动，但通常不会直接危害人类健康，人类可通过监测预警降低其带来的影响。

BY: Lancaster University

FY: AI

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