在我們最新的一集《Lexicon》中，我們與密歇根大學氣候與空間科學及工程學助理教授、NASA CLEAR 中心負責人趙露露博士進行了深入對話。趙博士的研究專注於一種對現代科技影響深遠但卻較少被理解的力量——太空天氣，尤其是太陽能量粒子，這些粒子影響著從飛機電子設備到衛星，甚至未來宇航員前往月球和火星的安全。
趙博士開始介紹她的研究核心，“我的研究涉及太空天氣及其預測。”作為 CLEAR 中心的負責人，她領導著 NASA 資助的項目，旨在創建一個新的太陽能量粒子預測框架。她指出，這個目標雖然簡單描述，但實現起來卻非常困難。“我們正在努力建立一個針對太陽能量粒子的太空天氣預測框架，”她表示，並補充道這是一項將物理學、計算和人工智能推向極限的挑戰。
隨後，我們詢問她是否認為太陽活動可能導致最近的 Airbus 軟件故障。趙博士解釋說，高能輻射對電子設備的影響是有充分文獻記載的。“來自太陽的高能粒子已知會導致電子系統中的比特翻轉，”她指出。然而，是否是太陽粒子導致了 Airbus 事件則是另一回事。經過數據審查，趙博士和她的同事並未發現當時有重大太陽活動。“我們沒有發現來自太陽的大型事件，”她說。相反，她認為持續存在的宇宙射線背景更可能是罪魁禍首。
趙博士進一步解釋，即使是一個粒子也足以引發問題。“如果你打到一個非常關鍵的位元，一次比特翻轉就足以造成麻煩，”她表示。這並不需要一連串或一組粒子的影響。一個以接近光速運行的單一質子或離子即可將零翻轉為一，或反之。“這足以影響控制系統，”她說。這些事件雖然罕見，但卻是持續且不可預測的。
為了幫助人們理解這些危險，趙博士簡潔地解釋了什麼是太陽能量粒子（SEPs）。“它們是非常快且能量極高的粒子，包括質子、電子以及氦、氧和鐵等重元素。”為了描述這些粒子，研究人員使用了兆電子伏特（MeV）和吉電子伏特（GeV），因為它們的質量非常小，而能量卻非常大。400 兆電子伏特的質子以相當於光速的一部分速度運行。“儘管太陽距離我們非常遠，但這些粒子移動得非常快，最快的粒子在約十分鐘內就能抵達地球，”她告訴我們。
這種現象被稱為單事件擾動（single-event upset），並且已經研究了幾十年。重要的是，飛行高度對這一現象影響甚大。“飛行在巡航高度的飛機經歷的粒子數量比地面上的人多，因為它們位於更高的氣氛中，”她指出。衛星則承受著更高的暴露風險，因為隨著高度增加，大氣變薄，地面上方的磁屏障也變弱。
隨著對話的深入，我們轉向太陽能量粒子的預測。趙博士清楚地闡述了這一挑戰。“太陽耀斑和日冕物質拋射的機理已經相當成熟，但有時較大的事件不會產生粒子，而較小的事件卻會。”這種關係既不線性也不穩定。SEPs 的速度極快，無法直接在太陽上觀測到，因為它們與正常的太陽等離子體相比數量稀少。為了克服這一挑戰，CLEAR 中心結合了經驗模型、物理模型和人工智能系統。
此外，中心正在開發一種基於物理學的下一代模型，名為 SOFI。“我們的目標不僅是預測太陽能量粒子事件是否會發生，還要預測有多少粒子會到達我們身邊，以及持續多長時間。”目前的預測通常只提供幾分鐘的警告，但 CLEAR 希望將這一時間擴展到整整一天。“我們的目標是達到 24 小時，”她指出。
在這樣的能力下，我們探討了航空安全的未來。趙博士設想了一個類似於颶風預測的系統。“對太陽的實時監測和預測模型的建立可以指導行業，”她說。這樣的信息可以幫助航空公司避免易受影響的航線或為可能的通信中斷做好準備。然而，準確性至關重要。“我們不希望因為虛假警報而打亂正常運作。”她強調，“提前預知和準確性至關重要。”
我們最後探討了太陽能量粒子對月球和火星任務的影響。趙博士指出，沒有地球的磁屏障，宇航員面臨著顯著更高的風險。“輻射是個大問題，”她告訴我們。“你希望能夠安全完成旅程，”她補充說。“對於非常高能的粒子，幾乎不可能進行屏蔽。”這使得預測變得更加重要。此外，任務規劃者必須在兩種危險之間做出選擇。在太陽最小期，宇宙射線非常高且極難屏蔽；而在太陽最大期，宇宙射線減少，但 SEPs 事件增加。“你必須選擇經歷哪一種現象，”她說。“我們希望能夠建造的任何系統都能惠及整個社群。”
