【菜科解读】

　　美国航天总署太阳动力学天文台在2017年9月所拍摄到的强烈太阳闪焰爆发。

PHOTOGRAPH BY NASA, GSFC/ SDO

　　美国航天总署太阳动力学天文台在2017年9月所拍摄到的两次太阳闪焰爆发。

PHOTOGRAPH BY NASA, GSFC/ SDO

　　这张影像是由美国航天总署（NASA）太阳动力学天文台（Solar Dynamics Observatory，简称SDO）在2017年9月所拍摄的太阳紫外线影像，可以在日面的右下角看到强烈太阳闪焰所形成的X形爆发。

PHOTOGRAPH BY NASA, GSFC/ SDO

　　据美国国家地理（撰文：ROBIN GEORGE ANDREWS 编译：邱彦纶）：美国地质调查所（U.S. Geological Survey，简称USGS）的最新研究显示，在强烈太阳风暴期间，每个城市会因为各地的区域地质情况，而有不同的停电风险。

　　我们的太阳是颗骚动不安的恒星。

当太阳特别活跃时，会喷发出大量带有磁能和带电粒子的太阳闪焰。

如果正对地球而来的闪焰不太强烈，这些来自太阳的物质会在撞击地球大气时，带来无害而又壮丽的极光。

　　然而，如果太阳爆发更为强大，那就有可能会产生磁暴，严重破坏地球的磁泡，并且可能会对地球的电力基础设施造成严重损坏。

　　而根据一项最新的研究显示，你所居住的城市是否能够平安度过强烈的磁暴，可能取决于地表下方的岩石类型。

　　美国地质调查所在最近的一项研究中，分析了美国东北部的不同岩石如何与磁暴相互作用。

研究结果显示，电网可能损坏的程度会因为每个地区的岩石类型，而有显着的加强或减弱。

例如，生活在新英格兰高地（New England Highlands）的民众在磁暴期间，遭受重大损害的风险更高，而中【大西洋(600558)、股吧】沿岸平原（Mid-Atlantic Coastal Plain）的风险则要低得多。

　　关于地质对太阳风暴造成的破坏的重要影响，科学家已经知道了一段时间。

但洛夫（Love）在去年12月发表于期刊《太空天气》（Space Weather）上的论文，更进一步地研究美国东北部某一特定区域，将地质差异对太阳风暴损害的影响精确量化。

虽然这项研究只针对了某个国家的某一特定地区进行研究，但它的影响却是全球性的。

　　目前，我们仍缺乏区域地磁风险的详细数据，对太阳风暴发生的频率、强度以及对目前科技所带来的影响，也不太清楚。

牛津大学（University of Oxford）环境变迁研究所（Environmental Change Institute）的高级研究助理爱德华． 欧捷顿（Edward Oughton）表示，这也意味对太空天气的风险评估，比飓风和地震等灾害的威胁分析还要落后数十年，这使得减灾计划变得「极具挑战性」。

而制作更详细的地电（geoelectric）风险区域地图，将有助于提供更全面的信息，目前澳洲和中国已经开始采取行动，以实现此一目标。

　　「以宏观的角度来看，进行这样的调查、收集地磁数据并没有非常昂贵，」美国地质调查所地磁计划（Geomagnetism Program）的负责人──地球物理学家杰弗里． 洛夫（Jeffrey Love）说：「但得要有计划地主动开始才行。

」

　　磁暴危害大

　　我们可千万不能对强烈的太阳风暴掉以轻心。

当太阳向地球喷发强烈的闪焰时，所携带的电磁能量会以光速向地球袭来，激发高层大气中的粒子，导致无线电讯号中断。

如果闪焰非常强烈，航空公司和卫星导航网络所使用的无线电通讯甚至会故障或完全无法运作。

　　接着在大约30分钟后，大量的电子和质子会以接近光速的速度抵达，破坏卫星上的电子电路，而置身地球磁泡（magnetic bubble）外的航天员，接受到的辐射剂量更有可能危及性命。

　　接下来，在爆发事件开始之后的18个小时到数天之间，会有称为「日冕巨量喷发」（corona mass ejection）的巨大电浆，以接近每秒3100公里的速度撞击地球磁泡。

这样的过程会严重干扰地球磁场，产生所谓的磁暴。

　　如果磁暴非常严重，会使得电网中的长导电结构产生强烈的感应电流，造成严重或甚至是永久性的损坏，还可能引发大范围的停电。

像是在1989年发生的一场磁暴，曾导致加拿大魁北克（Quebec）的大停电。

在越战期间，极端的太空天气可能还曾经导致越南近海的水雷爆炸。

　　1859年的「卡林顿事件」（Carrington Event），是有纪录以来最强大的磁暴之一，当时造成电报系统中断、电报发报员遭到电击。

这场磁暴所引发的极光，往南远到夏威夷都能看到，极光的亮度甚至让人能够在夜间的户外阅读报纸。

如果类似的事件在今日发生，我们日益电气化的基础设施很可能会遭受大规模的破坏，造成难以估计的损失。

　　太阳风暴超载

　　在比较小的地域范围内，地表下方的地质组成可能会对磁暴的造成的潜在威胁产生巨大影响。

英国地质调查局（British Geological Survey）的地球物理学家夏兰． 卑尔根（Ciaran Beggan）表示，沉积岩通常有含水的孔隙空间，因此具有导电性。

变质岩和火成岩的密度较高，孔隙更少，因此电阻较大。

　　但是在磁暴期间，异常的磁场活动会在地球表面产生感应电流，这对建造在变质岩或火成岩之上的城市来说，可能是个大麻烦。

虽然电流无法轻易地穿过这些岩石，但洛夫表示，「如果短路发生在电网所在的绝缘地面区域，那么电流就会直接穿过电网，造成损害。

」

　　欧洲太空总署（European Space Agency）太空态势感知计划（Space Situational Awareness Programme）的太空天气负责人尤哈－佩卡． 伦塔玛（Juha-Pekka Luntama）说道，这表示当下一次的大型磁暴来袭时，「欧洲某地区的电网可能完全没问题，但同一事件却会对仅数百公里外的电网造成严重的影响。

」

　　这种效应放诸四海皆准。

卑尔根表示，像是苏格兰北部有许多的电阻性岩石，这表示当地的电网可能受到强力的大地电场（geoelectric fields）带来危害的风险更高。

相反地，在英格兰南部则大都是低风险的沉积岩。

　　沿海地区的问题又更复杂了，海岸线有高电阻的沙和导电的海水。

卑尔根说，这会产生「信道效应」，电流会沿着海岸线增强。

对沿着海岸线建造的电网来说，可是个坏消息。

　　洛夫团队的最新研究工作，取得了天文台所侦测到的磁暴纪录，然后结合局部磁场与相关电场的最新调查。

这样一来，他们可以计算过去曾伴随磁暴产生的大量电流，用以仿真未来类似强度的事件。

　　研究团队发现，不同地区的损害风险差异很大，有些电阻性岩石能将该区域的地电危险提高100倍。

阿帕拉契山脉（Appalachian Mountains）含有大量的火成岩和变质岩，这代表坐落在山顶上的电网在下一次太阳风暴时，会遭受巨大的损害。

　　洛夫表示，电网的方向影响也很大。

与阿巴拉契亚山脉方向垂直的电网，会比平行的电网带来更大的损害风险。

　　紧盯太阳

　　此外，我们还得了解强大的磁暴有多常发生。

不幸的是，现代仪器是从约70年前才开始追踪磁暴，这表示我们对磁暴的纪录其实并不完整。

　　这就是为什么有些科学家一直试图挖掘古老数据的原因。

在3月初出刊的《美国国家科学院院刊》（PNAS）中，由隆德大学（Lund University）的莱蒙德． 穆斯切勒（Raimund Muscheler）所领导的研究团队，检视了树木年轮和冰芯中的化学指纹，他们发现在公元前660年左右，曾有太阳风暴袭击地球的证据。

这场风暴的强度，比1956年发生的强烈太阳风暴还要强上10倍。

　　然而，这些数据非常不易判读。

因此，想要发现深藏其中的真正太阳风暴证据，是项十分棘手的任务，穆斯切勒说：「我认为目前我们遗失了介于非常强烈太阳风暴［像是发生在公元前660年的那次］和1956年太阳风暴规模之间的所有事件。

」

　　同时，也有许多研究团队致力于研究未来的太阳风暴何时会发生，以减轻可能的危害，欧洲太空总署也是其中之一。

　　如果欧洲太空总署的拉格朗日（Lagrange）任务在11月下旬获得资金支持，这颗卫星将在太阳附近停泊，留意任何即将发生的太阳爆发，并警告地球上的人类。

这样一来，在来自太阳的危险粒子抵达地球之前，电力公司就能尽量打开更多电路，以分散整个系统中的多余电力。

在太平洋深处，地球外核的熔融铁于2010年意外逆转方向

由欧洲航天局领导的卫星任务帮助科学家追踪了这一剧烈变化，揭示了地球深处内部可能比之前认为的更不稳定和更具动态性。

几十年来，科学家们一直认为他们对液态金属在地球外核内部的运动有合理的理解。

埋藏在地表下约2200公里的巨大熔融铁层似乎遵循相对稳定的长期模式。

然后情况发生了变化。

2010年，赤道太平洋下方一大片富含铁的流体区突然改变了航向。

水流没有继续向西流动，反而突然加速向东流动。

研究人员仍不完全清楚其具体原因，但新分析的卫星和地面观测现提供了迄今为止最清晰的地球中心隐藏动态之一。

卫星揭示了地球深处隐藏的转变这项发表在《地球深部内部研究杂志》上的新研究，分析了1997年至2025年间收集的磁场数据。

科学家们结合了地面站的观测数据与多个卫星任务的测量数据，包括欧洲航天局的Swarm和CryoSat，以及德国CHAMP任务和Ørsted卫星的数据。

这些任务使研究人员能够监测地球磁场的细微变化，这种磁场是由外核中导电熔融铁的运动产生的。

通过研究这些变化，科学家们重建了地球核心与地幔边界处的流动模式。

该分析揭示了太平洋的意外逆转。

研究发现，2010年，太平洋地区从微弱向西移动转为强烈向东移动，挑战了此前外核在长期内表现大致稳定且可预测的假设。

地球的磁场屏蔽依赖于这种流动地球的磁场之所以存在，是因为液体外核内部不断运动。

当熔融铁环绕固体内核时，形成了地球的地质发电机——负责产生环绕地球的磁场的过程。

这种磁场屏蔽在保护地球免受来自太阳的带电粒子影响中起着关键作用。

没有它，地球的大气层和技术系统将更加容易受到有害太阳辐射的影响。

尽管新观测到的逆转对人类和气候没有威胁，科学家表示理解这些内部变化极为重要。

磁场在不断演变。

即使是渐进的变化，也会影响导航系统、航天器操作以及用于预测近地空间天气的模型。

群聚卫星提供了关键线索ESA的三颗Swarm卫星于2013年发射，专为以极高的精度绘制地球磁场而设计。

它们的高灵敏度磁力计能够将来自核心深处的信号与地壳、海洋、电离层和磁层产生的磁效应区分开来。

由于卫星运行在精心协调的轨道上，研究人员能够追踪磁场模式随时间演变的过程。

这些观测帮助科学家不仅识别了太平洋反转本身，还发现了后续的扰动，包括2017年的地磁震动，即地球磁场行为的快速变化。

据欧洲航天局Swarm任务经理Anja Stromme介绍，Swarm的长期数据集尤为宝贵，因为它提供了多年持续的全球覆盖，而不仅仅是依赖分散的地面观测站。

这种持续监测使研究人员能够观察2010年反转后岩心动力学的变化，并跟踪东流随时间演变。

科学家认为这种逆转可能已经开始减弱主要研究作者弗雷德里克·达尔·马德森表示，这一突如其来的反转引发了关于地球深层内部行为的重大新问题。

研究人员目前正试图确定该事件是暂时波动、反复振荡的一部分，还是核心内新稳定环流模式的开始。

有趣的是，团队的模型表明，自2020年左右以来，太平洋下方强劲的东流已经减弱。

卫星数据还揭示了快速变化的流动结构和波状加速度，这些在较旧或噪声较大的数据集中可能未被检测到。

这些发现暗示地球核心可能经历的短期区域变异远超科学家此前的认知。

弗雷德里克·达尔·马德森还指出，太平洋流动反转的时间与地球内核通过大地测量和地震学研究推断出的变化相吻合。

研究人员现在怀疑，多个深地层发生的过程之间可能存在联系。

深地球可能比预期更紧密相连参与该研究的科学家表示，这些发现可能会重塑研究人员对地球外核、内核和下地幔相互作用的看法。

欧洲航天局群组任务科学家伊丽莎白塔·约尔菲达解释说，太平洋逆转挑战了长期以来“西向环流稳定主导外核”这一观点。

相反，研究表明，重大地区变化可能在短短十年内迅速出现。

这种可能性尤为重要，因为地核与地幔之间的边界被认为是决定深地球动力学的最关键区域之一。

理解这些层次如何相互影响，有助于科学家构建更准确的地球内部演化模型。

为什么这很重要这一发现凸显了科学家们对隐藏在地表动的金属海洋知之甚少。

曾经看似相对稳定的系统，实际上可能能够快速且出乎意料地进行重组。

得益于像Swarm这样的长期卫星任务，研究人员现在可以近乎实时地监测地球的磁引擎，捕捉到以前难以察觉的细微变化。

随着科学家们致力于了解地球磁场的演化以及行星内部深层过程之间的相互联系，这些观测变得越来越重要。

太平洋的逆转最终可能只是暂时的。

或者它可能表明地球核心的运作方式比研究人员曾经想象的更加多变和复杂。

无论哪种情况，这一事件都为我们地球上最难到达的地区之一打开了一扇新的窗口。

托卡马克：人造太阳的 “磁约束熔炉”

一、名字与起源名称含义：俄语缩写，全称 “环形真空室磁线圈装置”（环形 toroidal、真空室 kamera、磁 magnit、线圈 kotushka）。

诞生：1950 年代由苏联库尔恰托夫研究所发明，1954 年建成首个装置 T-1，1968 年 T-3 装置突破关键温度，奠定主流地位。

二、核心原理：磁场 “牢笼” 困住上亿度等离子体核聚变需要1 亿℃+高温，没有任何材料能直接接触，托卡马克用磁约束解决：环形真空室：形似 “轮胎”，内部抽成真空，注入氘氚燃料（氢同位素）。

三重磁场约束环向磁场：外部环形线圈通电，产生绕真空室的 “跑道型” 磁场，防止粒子径向逃逸。

极向磁场：中心螺线管线圈（变压器初级）感应出等离子体电流（变压器次级），电流产生垂直方向磁场，约束粒子纵向运动。

螺旋磁场：两种磁场叠加，形成螺旋形磁力线，让等离子体粒子沿磁力线螺旋运动，牢牢锁在中心，不碰内壁。

加热到聚变温度欧姆加热：等离子体电流自身电阻产热（类似电炉丝）。

辅助加热：微波、中性束注入（高速氢原子束），把等离子体从千万度加热到 1 亿℃以上，满足氘氚聚变条件。

聚变反应与能量输出氘 + 氚氦 + 高能中子 +17.6MeV 能量。

带点粒子（氦核）被磁场约束，维持高温；

不带电中子穿透磁场，撞击内壁 “包层”（锂材料），动能转化为热能，加热水成蒸汽，驱动发电机发电。

副产品：氦气（无放射性），锂受中子轰击还能再生氚，形成燃料闭环。

三、关键结构真空室：环形，耐高温、防杂质污染。

磁体系统：环向线圈、中心螺线管、极向线圈，多为超导材料（如铌钛合金），降低能耗。

包层：内壁核心部件，承担能量捕获 + 氚增殖双重任务。

偏滤器：排出杂质和废热，保护真空室。

四、代表装置EAST（东方超环，中国）：世界首个全超导托卡马克，2021 年实现1.2 亿℃维持 403 秒，稳态运行全球领先。

EAST东方超环托卡马克装置ITER（国际热核聚变实验堆，法国）：全球 7 方（中、欧、美、俄、日、韩、印）共建，人类最大托卡马克，目标 2035 年首次氘氚聚变，实现输出能量 > 输入能量（Q>10）。

ITER国际热核聚变实验堆JET（欧盟）：历史最久的大型托卡马克，1997 年创下Q=0.67（输出 / 输入）纪录。

五、核心挑战稳态约束难：上亿度等离子体易失控、逃逸，需长期稳定约束（目标数千秒）。

能量增益低：目前实验Q 输出），需突破Q>10才能商业化。

材料寿命短：中子轰击、高温等离子体冲击，内壁材料易损伤。

氚自持难：氚天然稀缺，需高效增殖技术实现燃料自给。

六、优势与前景优势：燃料（氘）取自海水，储量几乎无限；

无碳排放，放射性废料极少（远低于裂变），安全性高。

前景：若 2035 年 ITER 达成目标，2050 年前后有望建成首座商业聚变电站，彻底解决人类能源危机。