发出太空的“天气预报”

2024-03-11

日常生活中，我们的衣食住行离不开天气预报。在遥远太空，卫星需要躲避太空碎片，航天员需要合理安排出舱时间等，这都离不开空间天气预报。那么，远在九霄云外的宇宙空间里，空间“天气”也会复杂多变吗？它带来的美丽极光，为什么存在危险？本期科普看台带你走进太空，一起读取遥远太空的“天气预报”。

看太阳“脸色”，读空间天气预报

地球上的天气变幻莫测，时而阳光明媚，时而狂风暴雨，而在九霄云外的外太空，也同样存在天气，科学家称之为空间天气。它是否和地面天气一样多变？也会刮风下雨吗？

太阳活动主导空间天气

在一些高纬度国家和地区，可以看到绚烂的极光在夜空飘荡，诉说美丽的同时也“泄露”着宇宙的秘密——空间天气。

空间天气在日地空间中，能影响空间、地面技术系统的运行和可靠性，以及危害人类健康和生命的条件、状态或事件。“太阳活动是空间天气变化的主要源头，因此太阳活动的强弱是决定空间天气的主要因素。”国家卫星气象中心空间天气预报台首席预报员陈安芹说。

空间天气中的“风”是太阳风，“雨”则是来自太阳的带电粒子雨，与地球上的天气一样，空间天气也会“阴晴不定”。在太阳活动低年时，空间天气较为平静。而在太阳活动高年时，太阳风暴则频繁发生、形式多样，如耀斑、日冕物质抛射、日珥爆发等。“太阳上的耀斑像是突如其来的龙卷风，而CME（日冕物质喷发）则像台风，这些，都如同外层空间的‘狂风暴雨’”，陈安芹解释道。

太阳“一打喷嚏”，地球就“感冒”

空间天气看似遥远亦或不相干，其实它无所不在、充斥在我们生活的方方面面。比如，当太阳风暴爆发时，轮船、汽车，甚至智能手机都会受到干扰，出现定位不准等问题。事实上，太阳风暴通常对地球造成三轮冲击。太阳耀斑爆发时，其发出的电磁波以光速传向地球，八分半钟即可抵达地球，引起电离层骚扰，影响高频无线电通信、导航定位等；其携带的高能质子在几十分钟至十几个小时后到达地球，引起电离层D区吸收，影响航空通信、卫星运行等；其伴随的日冕物质抛射，则在约三天后到达地球，引起地磁暴、磁层亚暴，并且可能影响低轨卫星的轨道高度、电网的安全运行以及地质勘探等。

“大多数情况下，我们感觉不到太阳风暴的影响，但超级太阳风暴可能对日常生活造成严重影响。”首席预报员宋乔介绍，以1989年3月超级太阳风暴为例，地磁暴发生后不到90秒的时间，加拿大魁北克省电网全面瘫痪，600万户民居陷入黑暗，停电长达9小时，部分地区甚至数日才恢复供电。

除了会影响我们的日常生活，超级太阳风暴对高科技设备系统的影响更大。宋乔补充道，如2000年7月14日的“巴士底日事件”致使多颗人造卫星出现图像质量下降、数据丢失、轨道下降等情况 。其中，受影响最严重的日本ASCA卫星，最终坠入地球大气层烧毁。

读懂太阳“脸色”

如何读懂太阳“脸色”，空间天气预报显得尤为重要。“空间天气预报主要目的是预测预报空间天气事件及其影响。”陈安芹说，预报员会综合分析监测数据，结合统计模型和数值模拟结果等做出预报，经与首席预报员会商并得出预报结论后，制作各种预报产品。

当前，空间天气预报产品种类丰富，包括日报、周报、月报、年报等。例如，日报主要总结过去24小时的空间天气情况，并预报未来1—3天的空间天气状态，包括太阳活动水平、地磁活动水平以及电离层状态等。“当有大耀斑、强地磁暴等重要空间天气事件发生时，还会发布空间天气预警、现报等产品，让公众和专业用户及时掌握太阳活动的最新动向。”当下，空间天气预报正从经验预报时代迈向数值预报时代。宋乔表示，以观测数据和科学理论为基础，通过太阳表面物理参数预测耀斑发生的概率、通过数值模型计算太阳风参数等方法在不断发展，预报水平稳步提高，为我国卫星发射和载人航天，地面技术系统、导航、通信等保驾护航。

航天员“太空漫步”，空间天气预报随行

生活在地球的我们，已经习惯了阴晴雨雪的天气变化。相比普通大众，航天员更为关注空间天气，因为和地面相比，航天员在太空行走，意味着要从飞船内近似于地面的大气环境进入太空高真空、强辐射的环境，也意味着要在离开飞船、失重的太空中踽踽独行。那么，该如何保证出舱航天员的安全？

航天员太空行走，会面临哪些危险？

国家卫星气象中心空间天气技术研发室正高级工程师薛炳森表示，中国空间站位于400公里左右高度的轨道，要经历严酷的空间环境，比如高真空、高能粒子辐射、从-100℃到100℃的高低温交变等。另外，还可能遭遇对空间站威胁最大的空间碎片。而随着近地卫星的迅速扩容，空间站的轨道也变得拥挤起来，特别是星链组网卫星的发射，将会有数万颗卫星穿越空间站轨道，残留大量碎片，使航天员所驻扎的空间站环境变得更加凶险。

长期驻留空间站的航天员还需关注辐射环境，在近地轨道高度，巴西上空常年存在稳定的高能粒子通量异常区，空间站每天都会多次穿越该区域，是伴随空间站全生命周期的一种恶劣环境；在太阳活动高年，不定期发生的太阳质子事件也会引起空间站辐射环境的恶化。对于这些高能粒子，空间站的“外墙”可以将其阻挡，但在超级太阳质子事件爆发期，如1989年7月和2003年11月的质子事件，导致国际空间站辐射严重超标，航天员被迫进入返回舱躲避。

“虽然空间站对于空间碎片和辐射环境有足够的防护条件和严谨的应急预案，但脱离了空间站防护层的保护时就变得相当危险。对于航天员来说，航天服虽然可以起到保护作用，但空间中存在数量较多且很难被发现的小碎片，一旦击中航天服，后果不堪设想。”薛炳森说，“这，就需要准确的空间天气预报。”

空间天气预报，为航天员系好“安全带”

航天员的出舱活动时间会经过严密计算与安排。“准确的空间天气预报，将为航天员‘太空漫步’保驾护航，不会让其遭遇太阳质子事件。”薛炳森坚定地说，“地面系统时刻监视着太阳高能粒子的变化，一旦突破阈值就会紧急命令航天员返回舱内。”

国家卫星气象中心（国家空间天气监测预警中心）作为国家级空间天气业务单位，为航天器发射及在轨运行提供空间天气预报及影响评估服务，为载人航天任务提供出舱时间窗口预报，避免航天员出舱活动时刚好遭遇严重的太阳高能粒子辐射。预报员根据太阳表面黑子的形态和演化特征，能够提前1—3天知晓太阳质子事件的爆发和强度，航天地面系统可以根据预报结果安排航天员出舱，提供更高的出舱安全系数；如果预测到超强太阳质子事件，气象部门则直接向航天系统发出警报，使航天员进入屏蔽舱；强地磁扰动会引起空间站轨道上大气密度的大幅升高，预报员预测到强地磁事件时，将会提请航天部门提前准备应对轨道高度的突然下降。

另外，国家卫星气象中心专门开发了空间碎片碰撞预警系统，能够实时预报太空中高速飞行的碎片位置，为包括风云卫星在内的航天器安全运行提供保障。2008年，神舟七号载人飞船指令长翟志刚成为我国第一位太空出舱的航天员，国家卫星气象中心结合空间天气环境准确预报出舱窗口时间；2011年，神舟八号飞船与天宫一号实验舱首次进行太空交会对接，卫星中心根据对接轨道环境，对窗口期前后时间段的空间天气做出准确研判，为任务的顺利完成提供了重要保障。

空间天气，悄然无声的存在

当你还在公园慢跑时，你的手机却将你定位为已到家；当你在航班上满怀出行的期待时，来自宇宙深处的射线正在偷偷给你做X光检查；当你心心念念的冰淇淋还在冰箱睡大觉时，远在一亿五千万公里之外的太阳，已经在谋划如何替你吃掉它……这些不可思议事情的发生，其实都与空间天气紧密相连。换言之，空间天气在通信导航、能源电力、飞行安全等诸多日常生活方面，影响着我们。

自1895年马可尼发明无线电发报机，通信技术快速发展，但其所遵循的“无线电波经电离层折、反射传输”这一科学基础从未改变。顾名思义，电离层就是被电离之后的大气层，由太阳光照射到高空空气而形成，电离层的稳定决定着无线电通信质量，当太阳爆发耀斑等活动后，极强辐射带来巨大能量，从而打破电离层的稳定，改变其结构，造成无线电信号穿过电离层射向宇宙，或“吞掉”卫星发回地面的关键信息，造成短波收音系统以及卫星电话、导航设备工作异常。

那我们拿手机打电话，是不是就应该不受空间天气的影响了？毕竟信号是通过地面基站完成传输，并没有通过电离层。

绝大多数情况下确实如此，但少发的极端情况也存在。当太阳耀斑活动强度非常高时，这些包含着自然界所有波段的光波可能会突破大气层的防守，甚至到达地面高度，形成无数的噪音信号。就如同你在地铁里打电话，当列车高速行驶时，周围的噪音信号分贝很高，难以听清电话听筒的声音，同时不觉间提高嗓音。手机信号面对耀斑辐射也一样，一旦干扰信号足够强，手机的有效信号就会被茫茫太阳辐射所淹没。而在太阳耀斑发生时，往往还会伴随着日冕物质抛射活动，少部分情况还会发生质子事件，前者会引发地磁暴，威胁能源输电网络，后者则会给我们的健康带来风险，尤其是在搭乘飞行时。

当飞机到达海拔8000到12000米的平流层高度时，气流活动少，进入平飞状态。此时，乘客可以起身活动，空乘也开始发放航食。但这一高度大气稀薄，电离辐射比地面高出约30—50倍，如果遇到质子事件发生，对于跨极区飞行，可能给人体造成的辐射剂量将比地面高数千倍，相当于飞行期间做了X光检查。不过，公众也不用过分担心，毕竟飞行时长短暂，但对于飞行员和乘务组来说，就要注意累积辐射剂量，控制其在安全范围内。

炫彩极光的背后

南极极光 陈轩摄

极光是一种绚丽的发光现象，当黑暗夜空被奇妙的光束点亮，就如同一场多彩又神秘的演出。但同时，极光背后也暗藏着地球和其他行星空间中发生的高能量爆发性物理过程。那么，美丽的极光是如何产生的？除了南北极，低纬度地区能一睹极光的风采吗？极光背后有哪些危险的存在？本文带您揭开极光的神秘面纱——

炫彩极光的诞生

照明需要能量，夜晚的万家灯火需要电能，极地上空流光溢彩的极光同样需要能量。地球上大部分能量都来源于太阳，极光也不例外，其能量的来源也是太阳。太阳是一个时刻都在进行核聚变的巨大天体，除了给地球提供能量以外，核聚变还会不停产生大量高能带电粒子。这些物质喷涌而出，充斥在整个太阳系，被形象地称为太阳风。大家知道，地球磁场就如同盾牌一般，可抵挡来自宇宙的“千军万马”。因此，太阳风并不会直接吹到地球上，而是在地球磁场的作用下围绕地球储存起来，当储存的能量饱和时，就会沿着磁力线跑到地球大气层，在与大气相互碰撞后，大气中的原子和分子获得能量并释放，这就形成了让我们大饱眼福的极光。

低纬度地区也能看到极光

由于带电粒子沿磁力线沉降到极区，所以我们看到的极光都发生在磁场北极或南极附近。恰巧磁轴与地轴只差了十几度，位置基本一致，便感觉到极光发生在南极和北极。现如今，磁轴相比地理轴是往北美偏移的，所以比起亚洲，北美更容易看到极光。

但历史上，磁轴并非一直不变，也发生过漂移。中国科学院地质与地球物理研究所特聘研究员尧中华说道：“在一两千年前，磁轴曾经偏向西伯利亚，那时中国境内比北美相同纬度更容易看到极光。”同时，如果太阳活动强度够大，低纬度地区也可以看到极光。此外，虽然我们对极光已经观测了数千年，但其实极光并不是地球独有的“特产”。太阳系八大行星中，除了水星不存在大气而没有极光外，其他行星都存在极光。其中，木星拥有着太阳系最强的极光，比地球的极光要强数百倍。

美丽背后的危险

“美丽的极光是人类能直接用肉眼观察到的空间天气现象，但它的发生可能意味着地球正在遭受太阳风暴影响”，尧中华说。正如前文提到的，极光是由高能量带电粒子快速地与大气碰撞产生，而高能带电粒子快速运动会产生什么？那就是电流。因此，大的极光事件一定伴随着大的电流扰动以及大的电磁扰动，可能影响人造地球卫星和地面通信以及电力系统等。我国虽然不在极光带上，但作为航天大国，也需要开展极光研究，这不仅能够帮助我们更好地了解和应对相关风险与灾害，也能为服务国家未来深空探测战略提供参考。

微话题：信鸽飞行指数预报让精灵不再迷航

与太空飞行的航天器不同，信鸽这种飞翔的精灵活动高度只有几米到数百米。在地球磁场和大气层的双重保护下，它们不用担心宇宙射线和高能粒子的轰击。但是，依靠地球磁场和太阳坐标导航的鸽子，却会苦恼于突然发生的磁暴。

人类进行野外勘探和探险活动时，会借助指南针、导航仪等设备，而信鸽、海龟等动物在千万年的进化过程中，也形成了借助地球物理环境导航的本领。信鸽通过太阳所处高度与方位和自身的生物钟能够判断东西方向，再结合地球磁场沿纬度的梯度分布，比对鸽巢的地磁数据，就能判断出当下位置与鸽巢的相对南北方位，从而找到回家的路。当太阳风集中吹拂地球或是太阳爆发日冕物质抛射时，地球磁场可能发生强度和方向的短时剧烈变化，这就是地磁暴的本质。如果此时，信鸽在距鸽巢数百公里外的飞行途中，便会被扰乱了方位，尤其是当地磁暴强度达到中等或更高等级时，判断的误差可达十公里甚至数十公里，远超信鸽通过肉眼可搜寻的范围，造成无法归巢。

“信鸽飞行指数预报”就是根据信鸽远距离飞行的导航理论，针对国内广大信鸽运动参与者，专门制作的一种空间天气专业服务。它根据太阳未来活动趋势、爆发可能性、时间跨度以及强度，预判可能造成的信鸽导航误差，从而指导信鸽司放运动开展，减少不必要的信鸽丢失。当你出门旅游前规划行程而留意天气预报时，空间天气也为咕咕叫的信鸽准备了专业气象产品。看似高冷莫测的空间天气领域，服务产品其实也是十分贴心的。