文/ 李會(huì)超

3月29日，美國(guó)白宮發(fā)布新聞稿，公布新一版的《國(guó)家空間天氣戰(zhàn)略與行動(dòng)計(jì)劃》，并稱將以此為指導(dǎo)，進(jìn)一步加強(qiáng)美國(guó)應(yīng)對(duì)空間天氣事件的能力。

在奧巴馬執(zhí)政期間，美國(guó)曾經(jīng)制定過(guò)《國(guó)家空間天氣戰(zhàn)略》和《國(guó)家空間天氣行動(dòng)計(jì)劃》。2016年，即將卸任的奧巴馬總統(tǒng)還簽署了題為《協(xié)調(diào)努力為國(guó)家做好空間天氣事件的準(zhǔn)備》的總統(tǒng)行政命令，進(jìn)一步強(qiáng)化美國(guó)聯(lián)邦政府應(yīng)對(duì)空間天氣事件的目標(biāo)和措施，以及各政府部門與機(jī)構(gòu)的具體職責(zé)。

空間天氣由太陽(yáng)活動(dòng)控制，太陽(yáng)爆發(fā)產(chǎn)生的電磁波、高能粒子和高速等離子體經(jīng)過(guò)行星際空間的傳播到達(dá)地球，在地球磁層、電離層和中高層大氣中誘發(fā)一系列劇烈變化，進(jìn)而使空間天氣變得惡劣。實(shí)際上，隨著航天活動(dòng)增多及其相關(guān)應(yīng)用的推廣普及，空間天氣這種太空中的“陰晴雨雪”，對(duì)人類社會(huì)的正常運(yùn)作產(chǎn)生的影響正與日俱增。同時(shí)，空間天氣還能對(duì)電網(wǎng)造成破壞性影響，從而對(duì)社會(huì)運(yùn)行所依賴的基礎(chǔ)設(shè)施產(chǎn)生致命性的影響。

▲ 美國(guó)《國(guó)家空間天氣戰(zhàn)略與行動(dòng)計(jì)劃》封面

航天器的隱形殺手

1991年5月，上天僅半年的我國(guó)風(fēng)云一號(hào)B衛(wèi)星忽然開(kāi)始失控翻轉(zhuǎn)，在控制人員發(fā)現(xiàn)并采取措施時(shí)，衛(wèi)星上的推進(jìn)劑早已噴完，設(shè)計(jì)壽命為1年的衛(wèi)星僅過(guò)了半年便不得不提前報(bào)廢。而2003年10月至11月期間，日本的對(duì)地觀測(cè)衛(wèi)星ADEOS-2與地面失聯(lián)后報(bào)廢，遠(yuǎn)在火星的火星奧德賽號(hào)探測(cè)器上的一個(gè)科學(xué)載荷也意外停止工作，無(wú)法恢復(fù)，不少其他衛(wèi)星也紛紛退出正常工作狀態(tài)，轉(zhuǎn)入安全模式避險(xiǎn)。而造成這一切的，則是太陽(yáng)高能粒子和地球附近的熱等離子體。在空間天氣狀況惡劣的情況下，他們的出現(xiàn)將會(huì)非常頻繁，對(duì)航天器安全產(chǎn)生威脅。

太陽(yáng)高能粒子的來(lái)源主要有兩個(gè)，一個(gè)是太陽(yáng)上爆發(fā)的耀斑，這種太陽(yáng)表面能量快速釋放的現(xiàn)象所產(chǎn)生的高能粒子，往往只需要幾十分鐘就可以到達(dá)地球，而轟擊地球的持續(xù)時(shí)間從幾小時(shí)到幾天不等。另一個(gè)則是太陽(yáng)上噴發(fā)的高速等離子體團(tuán)，空間天氣學(xué)家們將其稱為“日冕物質(zhì)拋射”。在日冕物質(zhì)拋射向地球傳播的過(guò)程中，會(huì)推動(dòng)擠壓行星際空間中阻擋它前進(jìn)的等離子體，產(chǎn)生與它一起向前傳播的行星際激波。行星際激波為高能粒子的產(chǎn)生提供了加速器，當(dāng)行星際激波到達(dá)地球后，就會(huì)引起地球附近的高能粒子通量增強(qiáng)。同時(shí)，日冕物質(zhì)拋射能夠誘發(fā)地磁暴，將熱等離子體注入到地球磁層系統(tǒng)當(dāng)中。

對(duì)于航天器上的微電子元器件來(lái)說(shuō)，最為懼怕的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)衛(wèi)星的異?；蚬收?，甚至將衛(wèi)星徹底摧毀。而能量相對(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，阻礙航天器的正常工作。雖然熱等離子體的單個(gè)粒子能量不及高能粒子，無(wú)法侵入航天器內(nèi)部，但它們?cè)诤教炱鞅砻娴亩逊e同樣會(huì)引發(fā)表面充放電效應(yīng)，干擾航天器正常運(yùn)行甚至造成損傷。

▲ 一次太陽(yáng)耀斑事件

對(duì)于在太空中工作的航天員，高能粒子也是他們生命健康的嚴(yán)重威脅。如果耀斑和日冕物質(zhì)拋射等太陽(yáng)風(fēng)暴影響地球期間，航天員不按照當(dāng)時(shí)的高能粒子通量水平采取審慎的防護(hù)措施，他們就有可能受到劑量超標(biāo)的輻射。2003年10月～11月連續(xù)太陽(yáng)風(fēng)暴爆發(fā)期間，國(guó)際空間站的航天員們就轉(zhuǎn)移到了防護(hù)性能更好的艙段中躲避危險(xiǎn)。

空間站提前墜落的元兇

地球大氣的密度隨著高度的增加而迅速減小，在LEO軌道幾百公里的高度上已經(jīng)相當(dāng)稀薄。然而，對(duì)于高速運(yùn)動(dòng)的航天器來(lái)說(shuō)，這里的大氣阻力仍然是不可忽視的。如果不主動(dòng)使用發(fā)動(dòng)機(jī)進(jìn)行軌道維持，航天器的軌道就會(huì)不斷衰減，軌道高度越來(lái)越低，最終隕落。太陽(yáng)耀斑產(chǎn)生的電磁輻射，和日冕物質(zhì)拋射誘發(fā)的地磁暴對(duì)中高層大氣的加熱，都會(huì)使LEO軌道上的大氣密度比正常情況下有所增加，航天器在此影響下必須進(jìn)行額外的軌道維持，否則就可能遭遇不測(cè)。

美國(guó)“天空實(shí)驗(yàn)室”提前墜落就是這一效應(yīng)最典型的案例。天空實(shí)驗(yàn)室是美國(guó)的第一代空間實(shí)驗(yàn)室。按照美國(guó)宇航局（NASA）的計(jì)劃，這個(gè)1973年發(fā)射的空間站本應(yīng)該工作到上世紀(jì)八十年代，與航天飛機(jī)一同開(kāi)展空間試驗(yàn)。然而，NASA在七十年代中期對(duì)太陽(yáng)活動(dòng)的預(yù)報(bào)出現(xiàn)了偏差，又對(duì)美國(guó)國(guó)家海洋和大氣管理局（NOAA）等與它平行的政府部門的警告充耳不聞。在阿波羅飛船最后一次造訪天空實(shí)驗(yàn)室時(shí)，沒(méi)有對(duì)天空實(shí)驗(yàn)室進(jìn)行足夠的軌道維持。在愈發(fā)頻繁的太陽(yáng)風(fēng)暴吹襲下，地磁暴不斷發(fā)生，天空實(shí)驗(yàn)室軌道上的高層大氣密度增大使得其軌道失控式的衰減。同時(shí)，美國(guó)的載人航天器正處在青黃不接的當(dāng)口：航天飛機(jī)的研發(fā)測(cè)試尚未完成，而阿波羅飛船已經(jīng)退役，美國(guó)無(wú)法發(fā)射飛船救援天空實(shí)驗(yàn)室，使得其最終在1979年提前隕落。

▲ 天空實(shí)驗(yàn)室

此外，空間天氣產(chǎn)生的影響，還會(huì)使得中高層大氣的密度變得更加難以預(yù)測(cè)。對(duì)于交會(huì)對(duì)接這類需要進(jìn)行軌道精準(zhǔn)控制的操作，在大氣密度的實(shí)際值與預(yù)測(cè)值偏差較大的情況下，飛行器的實(shí)際飛行軌跡與預(yù)測(cè)的軌道就可能出現(xiàn)較大偏差，需要耗費(fèi)更長(zhǎng)的時(shí)間來(lái)不斷修正軌道，才能完成對(duì)接。

衛(wèi)星定位與無(wú)線電通信的干擾源

在距離地面60～1000公里的區(qū)域中，存在著由帶電粒子組成的電離層。無(wú)線電信號(hào)能否穿過(guò)電離層、穿過(guò)電離層時(shí)信號(hào)參數(shù)發(fā)生的變化，都與電離層的性質(zhì)有關(guān)。例如，短波信號(hào)能夠跨越大洲傳播，利用的就是電離層對(duì)這個(gè)頻段無(wú)線電信號(hào)的反射；而地面與衛(wèi)星通信時(shí)，則必須使用能夠穿透電離層的高頻信號(hào)。電離層性質(zhì)，主要受到太陽(yáng)活動(dòng)的影響。一旦有耀斑發(fā)生，電離層的性質(zhì)在耀斑發(fā)生的同時(shí)就會(huì)馬上產(chǎn)生變化，而日冕物質(zhì)拋射吹襲地球時(shí)，引起的地磁暴同樣會(huì)誘發(fā)電離層性質(zhì)的變化。

地面設(shè)備在接收北斗、GPS等衛(wèi)星定位系統(tǒng)所發(fā)射的定位信號(hào)，并由此推算位置信息時(shí)，已經(jīng)考慮了電離層在一般情況下的性質(zhì)。而一旦電離層的性質(zhì)由于空間天氣原因發(fā)生變化，定位信號(hào)的實(shí)際變化情況就會(huì)和設(shè)備中預(yù)置情況產(chǎn)生差異，定位設(shè)備的定位精度就會(huì)因此下降。對(duì)于日常生活中的手機(jī)定位，由于定位精度的要求不高且能夠借助手機(jī)基臺(tái)的位置進(jìn)行較差定位，因此不會(huì)明顯的感受到空間天氣的影響。然而，對(duì)于定向鉆井等野外高精度作業(yè)和借助GPS實(shí)現(xiàn)的新一代航空導(dǎo)航與儀表降落系統(tǒng)來(lái)說(shuō)，電離層變化因此的定位精度降低足以干擾他們的正常工作。

2001年，搜救中美撞機(jī)事件的我方部隊(duì)的無(wú)線電通信忽然中斷兩個(gè)小時(shí)，給搜救工作造成了一定影響。后經(jīng)專家分析，造成這一問(wèn)題的原因就是電離層因太陽(yáng)風(fēng)暴而發(fā)生的變化。雖然遠(yuǎn)距離無(wú)線電傳輸在一般人的日常生活中已經(jīng)很難接觸到，但在軍事和一些其他專業(yè)領(lǐng)域中，這種受電離層影響的通信方式仍然是不可替代的。對(duì)于應(yīng)用遠(yuǎn)距離無(wú)線電通信的部門來(lái)說(shuō)，空間天氣狀況是他們必須關(guān)心的信息。

摧毀高壓電網(wǎng)的幕后黑手

在越南戰(zhàn)爭(zhēng)中，美軍曾經(jīng)施放了大量水雷，用以封鎖越南的港口。1967年的一天，部署在越南防城港附近海域中的四十顆美軍水雷，忽然在沒(méi)有船只經(jīng)過(guò)的情況下發(fā)生自爆，爆炸產(chǎn)生的連環(huán)效應(yīng)最終引爆了4000多顆水雷。

▲ 使用各個(gè)波段對(duì)一次日冕物質(zhì)拋射的聯(lián)合觀測(cè)

這些水雷的爆炸并不是越南特工的“杰作”，而是源于日冕物質(zhì)拋射引發(fā)的地球磁場(chǎng)變化。日冕物質(zhì)拋射中裹挾的太陽(yáng)磁場(chǎng)，在方向合適時(shí)能夠“剪斷”地球磁場(chǎng)的磁力線，將等離子體注入到地球磁場(chǎng)系統(tǒng)中，并將地球磁場(chǎng)的磁力線由朝向太陽(yáng)的一側(cè)拉扯到背向太陽(yáng)的一側(cè)。在這個(gè)過(guò)程中，整個(gè)地球磁場(chǎng)都會(huì)發(fā)生劇烈的變化，空間天氣學(xué)家們將這種現(xiàn)象稱為“地磁暴”。美軍的水雷利用船只經(jīng)過(guò)時(shí)引起的磁場(chǎng)變化探測(cè)敵方船只，一旦磁場(chǎng)變化的速度超過(guò)某一閾值便會(huì)將自身引爆。然而，當(dāng)?shù)卮疟┌l(fā)生時(shí)，水雷將地磁暴引起的磁場(chǎng)變化誤認(rèn)為是船只經(jīng)過(guò)的磁場(chǎng)變化，因而引爆。

地磁暴對(duì)當(dāng)代社會(huì)更大的威脅，在于其可能對(duì)電網(wǎng)產(chǎn)生的破壞。地磁暴引起的磁場(chǎng)的劇烈變化會(huì)在長(zhǎng)距離高壓輸電線中產(chǎn)生強(qiáng)烈地磁感應(yīng)電流，引起電網(wǎng)供電不穩(wěn)或徹底崩潰。1989年3月的地磁暴使得加拿大魁北克地區(qū)的電網(wǎng)癱瘓，數(shù)百萬(wàn)人在寒冷中度過(guò)了沒(méi)有電能供應(yīng)的夜晚。如果更加強(qiáng)烈的太陽(yáng)風(fēng)暴來(lái)襲，燒毀電網(wǎng)大型核心變壓器，電網(wǎng)將就會(huì)發(fā)生長(zhǎng)時(shí)間的癱瘓。這是因?yàn)檫@些大型核心變壓器多為特別定制產(chǎn)品，沒(méi)有現(xiàn)成的貨架備份可供替換，一旦損壞，短時(shí)間內(nèi)無(wú)法找到備件替換。電能是現(xiàn)代社會(huì)運(yùn)作的基本條件，一旦失去供電，整個(gè)社會(huì)的運(yùn)轉(zhuǎn)便會(huì)陷入停滯。據(jù)風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估研究得出的結(jié)論，一次超強(qiáng)太陽(yáng)風(fēng)暴引起的大停電，將會(huì)給北美地區(qū)帶來(lái)數(shù)萬(wàn)億美元的巨大損失。

▲ 極光是太陽(yáng)風(fēng)暴給地球的饋贈(zèng)，然而強(qiáng)烈的極光活動(dòng)也意味著電網(wǎng)風(fēng)險(xiǎn)的增加

▲ 魁北克大停電事故中被燒毀的變壓器

雖然特朗普上臺(tái)后對(duì)奧巴馬任職期間的政策多采取消極態(tài)度，但在空間天氣這一問(wèn)題上卻延續(xù)了奧巴馬政府所形成的既定方針。在3月29日白宮發(fā)布的新聞稿中稱，特朗普總統(tǒng)為重振美國(guó)在太空中的領(lǐng)導(dǎo)地位“采取了果斷行動(dòng)”，發(fā)布的新版的《國(guó)家空間天氣戰(zhàn)略與行動(dòng)計(jì)劃》是實(shí)現(xiàn)特朗普目標(biāo)的舉措之一。在這份計(jì)劃中，美國(guó)國(guó)家科技委員會(huì)提出了“空間天氣有備國(guó)家”（space weather-ready nation）的概念，為現(xiàn)階段國(guó)家層面應(yīng)對(duì)空間天氣的行動(dòng)指明了三個(gè)重點(diǎn)方向：一是要針對(duì)國(guó)家安全、國(guó)土安全（即美國(guó)本土安全）和商業(yè)設(shè)施與運(yùn)作中容易受空間天氣影響的部分，加強(qiáng)其自身的防護(hù)能力；二是發(fā)展及時(shí)而準(zhǔn)確的空間天氣監(jiān)測(cè)與預(yù)報(bào)能力，為全社會(huì)應(yīng)對(duì)空間天氣事件提供關(guān)鍵信息與指導(dǎo)；三是制定空間天氣事件后的災(zāi)后恢復(fù)方案，使遭受不可抗的空間天氣災(zāi)害后，相關(guān)部門能夠按照預(yù)先研究論證過(guò)的預(yù)案和行動(dòng)步驟，有條不紊的應(yīng)對(duì)災(zāi)害造成的損害。如果該計(jì)劃中提出的方案都能實(shí)施落地的話，美國(guó)有望在該領(lǐng)域繼續(xù)保持其先進(jìn)地位。