太阳风暴的起源是太阳表面的剧烈爆炸。它们由包裹在复杂磁云中的高能带电粒子组成。当它们从太阳表面喷发时，可以以高达每秒3,000公里的速度射入行星际空间（相当于每小时670万英里）。根据其行进方向，这些高能风暴可能会掠过地球和其他行星。
如果太阳风暴到达地球，它会扰乱多种现代技术，包括GPS和高频通信，甚至地面的电力网，导致无线电中断和城市停电。它还会通过干扰通信方式，给航空业带来混乱。
为了应对相关的潜在经济损失，受影响的行业一直在寻求一种能够提供至少24小时预警的解决方案。有了足够的提前量，它们就可以安全地改变其操作程序。例如，客机可以重新规划航线，或者电网变压器可以开始缓慢的“降速”过程，所有这些都需要至少一天的通知——这比目前常见的60分钟提前预警有了巨大飞跃。通过在前人的研究基础上，我的同事们和我提出了一种我们认为可以达到24小时预警目标的技术。
2014年1月7日关于一次异常大的日冕物质抛射的虚假警报，凸显了预测问题的范围。
2014年1月7日关于一次异常大的日冕物质抛射的虚假警报，凸显了预测问题的范围。
磁场决定太阳风暴的严重程度
风暴影响我们日常技术基础设施的强度很大程度上取决于其磁场的方向。通常，太阳风暴内的磁场具有螺旋结构，像螺旋钻一样扭曲。但是，与地球上的龙卷风一样，这些太阳风暴在演变过程中会发生显著变化——在这种情况下，是当它们离开太阳并向行星行进时。
NASA的磁层多尺度任务研究磁重联。
当磁场处于特定方向时，就会打开闸门，使太阳粒子进入原本受到保护的地球大气层（磁层）的泡泡。太阳物质与地球磁层之间的这种相互作用主要通过一种将彼此磁场连接在一起的过程来驱动。这种相互作用称为磁重联。
磁场的这种重新排列方式与两块条形磁铁的吸引力类似。如果将磁铁的同极（北极和北极）靠近，磁力线会相互排斥。异极相互吸引和结合。如果极性不同，就像太阳风暴和地球磁层之间一样，它们就会被磁性连接起来。地球磁层这种新的连通性现在包含了先前被隔离在太阳风暴中的高能粒子。如果大量高能粒子渗透到地球高层大气，反应就会产生通常被称为北极光的视觉奇观。
寻找：提前预警
迄今为止，预测即将到达地球的太阳风暴的磁场结构仍然难以捉摸。世界各地的现代预报中心，例如NOAA和英国气象局，依赖于地球前方航天器（例如NOAA新发射的Discvr卫星）对太阳风暴内部的直接测量。测量结果告诉我们太阳风暴磁场的方向，从而判断它是否可能以对我们的技术有害的方式与地球磁层重新连接。我们一直被限制在不到60分钟的提前预警时间。
创建可靠预测的困难主要在于我们无法可靠地估算太阳表面上方风暴的初始结构，以及难以观察风暴在前往地球的约两天旅程中如何演变。
我和我的同事们最近在《空间天气》杂志上发表了一篇文章，提出了一种改进的预测太阳风暴初始磁场结构的方法。更好地掌握这些太阳风暴的起源，是朝着预测风暴如何影响地球以及影响程度迈出的重要一步。
我们的方法依赖于正确修改一项关于太阳表面下方隐藏的太阳等离子体（主要是氢离子）的运动和磁场如何影响太阳风暴初始结构的先前发现。这被称为太阳发电机过程。这是一个被认为产生太阳磁场的物理过程。它是驱动所有观测到的太阳活动——包括太阳黑子、长期太阳变率以及太阳风暴——的引擎和能源。
太阳风暴从太阳爆发出来的爆炸性视图。
我们认为，将这个改进的初始风暴模型与一种结合风暴早期演化阶段的新方法相结合，将显著提高我们的预测准确性。利用NASASTEREO和SOHO航天器在行星际空间中的三地点相机，并结合我们开发的现代建模技术，对整个太阳风暴进行三角测量，能够实现更强大的预测系统。由于这些相机位于太空中非常不同的视角，我们可以将它们结合起来，以提高我们对太阳风暴整体形状和位置的估计——这就像我们通过两只眼睛看世界来实现的景深一样。
预测与现实相符
到目前为止，我们已经对八个不同的太阳风暴测试了这种新的预测技术，初步预测显示与真实数据有显著一致。NASA戈达德社区协同模型中心目前正在对更多风暴进行更高级别的统计测试。
“我们将对模型进行各种历史事件的测试，”NASA戈达德空间天气研究中心主任、该出版物的合著者Antti Pulkkinen说。“我们还将观察它在未来一年内发生的任何事件中的表现。最终，我们将能够提供关于该预测工具可靠性的具体信息。”
我们正致力于改进用户界面和集成到现有系统中。一旦被证明对于预测是可靠且具有统计显著性，我们的技术可能很快就会成为NOAA空间天气预测中心预报员使用的常规运行工具。
披露声明：Neel Savani获得NASA和NSF的资助。他作为NASA戈达德、UMBC的承包商，以及伦敦帝国理工学院的客座研究员。
本文最初发表于The Conversation。 阅读原文。
