空間天氣知多少

忠東

你知道嗎，除了地面上有陰晴雨雪的天氣變化，遠(yuǎn)在“九霄之外”接近真空的宇宙空間其實(shí)也有天氣存在。空間天氣描述的就是太陽爆發(fā)活動(dòng)及其引發(fā)的空間環(huán)境變化。

我們?cè)诘厍蛏峡吹降年柟猓鋵?shí)只是穿梭在地球和太陽之間的一小部分，像伽馬射線和X射線這種能量更高的光線才是其中?？?，還有一刻不停吹拂到太陽系每個(gè)角落的太陽風(fēng)，構(gòu)成了行星際空間的物質(zhì)主體。它們主要由帶電粒子組成，這些微粒速度很快，以每秒幾百千米的速度突破太陽的引力束縛，進(jìn)入宇宙空間。

空間天氣變化的主要源頭是太陽，“太陽大氣”劇烈爆發(fā)的現(xiàn)象會(huì)對(duì)空間天氣產(chǎn)生顯著影響，比如太陽耀斑和日冕物質(zhì)拋射等。太陽是一個(gè)熾熱的物體，它體積巨大、密度高，磁場(chǎng)和引力強(qiáng)大。太陽的重力抑制了它膨脹的趨勢(shì)，在重力和膨脹之間達(dá)到了平衡。這些不同的力引發(fā)了太陽表面的劇烈活動(dòng)。氣流引發(fā)太陽磁力線扭轉(zhuǎn)，也會(huì)阻止太陽內(nèi)部高溫氣體上升到太陽表面產(chǎn)生太陽黑子。

相比之下，太陽黑子比太陽表面的其他部分暗一些，也比周圍的溫度低一些。磁場(chǎng)阻止熱氣上升，困在太陽黑子下方的熱氣也在給磁場(chǎng)施壓。這些氣流會(huì)把磁力線卷縮成緊密的螺旋，但有時(shí)壓力不斷膨脹，被壓縮的磁場(chǎng)突然彈開，就會(huì)產(chǎn)生太陽耀斑。

太陽耀斑爆發(fā)時(shí)，太陽表面局部區(qū)域大規(guī)模能量突然釋放，引起局部區(qū)域瞬時(shí)加熱，向外發(fā)射各種電磁輻射，并伴隨粒子輻射突然增強(qiáng)。太陽耀斑的火焰大到幾乎可以吞噬整個(gè)地球。一旦爆發(fā)，8分鐘后X射線等強(qiáng)電磁波就能到達(dá)地球，30分鐘后抵達(dá)的是高能粒子，再過2到3天就是高溫帶電等離子體。這些被統(tǒng)稱為太陽風(fēng)暴，就相當(dāng)于外層空間的狂風(fēng)暴雨。

太陽耀斑不僅僅是熱氣的爆發(fā)，它發(fā)射出的光橫跨了整個(gè)光譜，包括我們看不見的光——X射線和伽馬射線。這些射線對(duì)人類來說是危險(xiǎn)的。幸運(yùn)的是地球的大氣層吸收了大部分高能射線，不過，這并不意味著每個(gè)人在太陽耀斑下都絕對(duì)安全，例如高海拔地區(qū)的人及飛機(jī)上的人，就有被暴露在太陽耀斑輻射下的危險(xiǎn)。短時(shí)間照射可能會(huì)引發(fā)皮膚紅腫，長(zhǎng)時(shí)間照射則會(huì)增大患上皮膚癌的概率，但一般來說受影響的人可以自行康復(fù)。電器在高能射線下也很脆弱。如果高能射線擊中一顆衛(wèi)星，射線有能力剝離金屬原件中的金屬電子。一旦成為自由電子，它們可以使衛(wèi)星中的電子元件短路。電子還會(huì)產(chǎn)生磁場(chǎng)，這對(duì)衛(wèi)星也是有害的。有些衛(wèi)星擁有抗輻射的防護(hù)層，但大部分衛(wèi)星很脆弱。

日冕物質(zhì)拋射危害大

空間天氣主要監(jiān)測(cè)和研究太陽相關(guān)參數(shù)。空間環(huán)境關(guān)注的是粒子、磁場(chǎng)、電磁波等參量。

空間天氣監(jiān)測(cè)范圍更大，從監(jiān)測(cè)距地面20～30千米高度的中高層大氣往上直至太陽表面的活動(dòng)區(qū)；監(jiān)測(cè)對(duì)象也復(fù)雜，既要監(jiān)測(cè)中高層大氣中的溫度、密度、速度等流體力學(xué)參數(shù)，也要監(jiān)測(cè)電離層、磁層和行星際以及太陽表面的粒子、場(chǎng)和溫度等離子體參數(shù)。

空間天氣監(jiān)測(cè)的手段多種多樣：使用光學(xué)遙感和無線電手段觀察電磁波，采用磁通門或磁阻技術(shù)感知磁場(chǎng)，用半導(dǎo)體或靜電分析儀監(jiān)測(cè)粒子。

太陽是地球天氣氣候和空間環(huán)境變化的驅(qū)動(dòng)源，它的外部結(jié)構(gòu)分三層，從里向外依次是光球?qū)?、色球?qū)雍腿彰釋?。人們?nèi)庋劭吹降氖枪馇驅(qū)樱谶@一層公眾比較熟知的現(xiàn)象有太陽黑子，而最直接影響地球環(huán)境的是日冕層。雖然單獨(dú)的太陽耀斑不足以對(duì)地球表面產(chǎn)生什么影響，強(qiáng)大的日冕物質(zhì)拋射卻是另外一回事，可以使地表電子系統(tǒng)產(chǎn)生嚴(yán)重故障。正如其名字所暗示的，日冕物質(zhì)拋射將大量的磁化等離子體拋向太空，如果擊中地球可能會(huì)產(chǎn)生地磁暴。而太陽質(zhì)子事件發(fā)生的時(shí)候，來自太陽的高能粒子數(shù)量迅猛增長(zhǎng)，會(huì)對(duì)空間站和航天員造成威脅。

日冕物質(zhì)拋射并不會(huì)產(chǎn)生強(qiáng)烈的光，而是在太空中形成蔓延數(shù)十億千米的電磁沖擊波。若是地球正巧在沖擊波的路徑上，強(qiáng)大的太陽磁場(chǎng)會(huì)重新安排地球的磁場(chǎng)，使其產(chǎn)生不可預(yù)測(cè)的移動(dòng)。日冕物質(zhì)拋射的后果不僅僅是漂亮的極光，磁場(chǎng)波動(dòng)還會(huì)令指南針失效。同時(shí)因?yàn)榇艌?chǎng)可以發(fā)電，所有的導(dǎo)體都是誘導(dǎo)物，所以一個(gè)強(qiáng)勁的日冕物質(zhì)拋射可以與大型的導(dǎo)體感應(yīng)生電，可能使電路過載并引發(fā)問題。

日冕層直接影響地球的環(huán)境，亟需科學(xué)觀測(cè)。我國(guó)2021年7月5日發(fā)射的“黎明星”風(fēng)云三號(hào)E星，是全球首顆民用晨昏軌道業(yè)務(wù)衛(wèi)星，星上搭載11種有效載荷，填補(bǔ)了全球數(shù)值天氣預(yù)報(bào)模式在晨昏時(shí)段的衛(wèi)星資料觀測(cè)空白。其中太陽X射線和極紫外成像儀是國(guó)際上首臺(tái)具有X射線和極紫外兩個(gè)波段的太陽成像儀，可實(shí)現(xiàn)觀測(cè)太陽日冕活動(dòng)，能更準(zhǔn)確地預(yù)報(bào)空間天氣。太陽輻照度光譜儀是我國(guó)第一臺(tái)空間對(duì)日全能譜高光譜觀測(cè)儀器，用于監(jiān)測(cè)太陽入射地球的能量微小變化，包含豐富的太陽光譜精細(xì)結(jié)構(gòu)，對(duì)精密監(jiān)測(cè)地球氣候系統(tǒng)能量變化具有重要意義。

2022年6月1日，風(fēng)云三號(hào)E星及其地面應(yīng)用系統(tǒng)轉(zhuǎn)入業(yè)務(wù)試運(yùn)行。該星與風(fēng)云三號(hào)C星和D星實(shí)現(xiàn)三星組網(wǎng)，每6小時(shí)為數(shù)值預(yù)報(bào)模式提供一次完整覆蓋全球的觀測(cè)資料，有效提高全球數(shù)值天氣預(yù)報(bào)的精度和時(shí)效。6月15日，風(fēng)云三號(hào)E星在軌業(yè)務(wù)運(yùn)行后的首次產(chǎn)品發(fā)布，產(chǎn)品包括風(fēng)場(chǎng)測(cè)量雷達(dá)海面風(fēng)場(chǎng)產(chǎn)品、海冰監(jiān)測(cè)產(chǎn)品、夜間燈光產(chǎn)品等十余種。它們的應(yīng)用有效支撐“全球監(jiān)測(cè)、全球預(yù)報(bào)、全球服務(wù)”，并為服務(wù)“一帶一路”、進(jìn)一步增強(qiáng)我國(guó)氣象衛(wèi)星的綜合觀測(cè)能力和應(yīng)用服務(wù)能力，推動(dòng)我國(guó)氣象事業(yè)高質(zhì)量發(fā)展起到積極作用。

我國(guó)預(yù)報(bào)水平居前列

太陽分為平靜與爆發(fā)兩種活動(dòng)模式。平靜時(shí)太陽風(fēng)速度低，變化慢，物質(zhì)密度相對(duì)較低，沒有明顯的爆發(fā)活動(dòng)。一旦轉(zhuǎn)入爆發(fā)模式，太陽風(fēng)速度加快，密度增大，溫度也會(huì)出現(xiàn)跳躍式升高，出現(xiàn)耀斑和日冕物質(zhì)拋射，冷卻時(shí)間大幅度縮短，甚至開啟“狂暴模式”，多種爆發(fā)活動(dòng)同時(shí)甚至連續(xù)發(fā)生。對(duì)應(yīng)兩種太陽活動(dòng)模式，地球磁層、電離層和熱層在內(nèi)的空間環(huán)境也會(huì)隨之發(fā)生變化?？臻g天氣中的“風(fēng)”是太陽風(fēng)，“雨”則是來自太陽的帶電粒子雨，會(huì)對(duì)人造衛(wèi)星和空間站、通信與能源系統(tǒng)以及人類健康帶來嚴(yán)重影響和危害。

一次完整的空間天氣事件一般有如下過程：從太陽表面形成與發(fā)生，接著在行星際空間傳播和演化，最后在地球電離層和中高層大氣中產(chǎn)生影響和效應(yīng)。因此，需要對(duì)空間天氣事件因果鏈（從太陽-行星際-磁層空間-電離層和中高層大氣）的重要區(qū)域進(jìn)行必要的監(jiān)測(cè)，監(jiān)測(cè)內(nèi)容包括太陽表面的活動(dòng)區(qū)、行星際、磁層空間和電離層中的粒子、電場(chǎng)、磁場(chǎng)和波動(dòng)等離子體及電磁參數(shù)，熱層和電離層中的密度、溫度和速度等流體參數(shù)。

空間天氣的研究對(duì)象主要是地球表面20千米以上的空間領(lǐng)域，這正是大部分航天、衛(wèi)星、通信，以及導(dǎo)航活動(dòng)的空間領(lǐng)域。航天器上的微電子元器件最怕的就是高能粒子中能量更高的那一部分，這些高能粒子能夠穿透電子元件，造成數(shù)據(jù)錯(cuò)誤、電路功能混亂或計(jì)算機(jī)整機(jī)癱瘓，引發(fā)機(jī)器工作異?；蚬收希踔翆⑵鋸氐状輾?。能量相對(duì)低一些的高能粒子，則可以在航天器內(nèi)部的電路板、導(dǎo)線等位置產(chǎn)生電荷堆積，阻礙航天器正常工作。在航天器發(fā)射和運(yùn)行期間，對(duì)空間天氣要素進(jìn)行連續(xù)監(jiān)測(cè)和預(yù)報(bào)，對(duì)可能發(fā)生的災(zāi)害性空間天氣事件作出預(yù)警，可以保障航天器的安全。

為了準(zhǔn)確預(yù)報(bào)空間天氣，預(yù)報(bào)員會(huì)收集最新的觀測(cè)數(shù)據(jù)，包括各個(gè)波段的太陽圖像、太陽X射線流量、太陽磁場(chǎng)、地磁指數(shù)、電離層狀態(tài)等，對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行綜合分析，然后結(jié)合觀測(cè)數(shù)據(jù)、數(shù)值模擬等作出預(yù)報(bào)，最后與首席預(yù)報(bào)員進(jìn)行會(huì)商，得出空間天氣預(yù)報(bào)結(jié)論，并制作出各種預(yù)報(bào)產(chǎn)品。

隨著太空探索的快速發(fā)展，空間天氣預(yù)報(bào)變得越來越重要。20世紀(jì)90年代末，中國(guó)氣象局開始空間天氣業(yè)務(wù)試驗(yàn)工作。2002年，國(guó)家空間天氣監(jiān)測(cè)預(yù)警中心成立，并于2004年正式開展空間天氣業(yè)務(wù)。2021年11月16日，國(guó)際民航組織全球空間天氣中心揭牌，為全球民航業(yè)提供空間天氣服務(wù)，保障航天安全。

空間天氣預(yù)報(bào)產(chǎn)品種類很多，包括日?qǐng)?bào)、周報(bào)、月報(bào)，以及年報(bào)等。

我國(guó)的空間天氣預(yù)報(bào)已經(jīng)邁入了數(shù)字化時(shí)代。隨著探測(cè)飛船和衛(wèi)星的發(fā)射，新的觀測(cè)數(shù)據(jù)源源不斷，空間天氣預(yù)報(bào)水平穩(wěn)步提高，可為航天員在太空中活動(dòng)、火箭發(fā)射、衛(wèi)星運(yùn)行等提供空間天氣預(yù)報(bào)及影響評(píng)估服務(wù)。2008年“神舟七號(hào)”載人飛船指令長(zhǎng)翟志剛成為我國(guó)第一位太空出艙的航天員。當(dāng)時(shí)，國(guó)家衛(wèi)星氣象中心就結(jié)合空間天氣環(huán)境準(zhǔn)確預(yù)報(bào)了出艙窗口時(shí)間，提供了更高的出艙安全系數(shù)，避免航天員遭遇嚴(yán)重的太陽高能粒子輻射。