忠東

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

我們在地球上看到的陽光，其實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常客，還有一刻不停吹拂到太陽系每個角落的太陽風，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)象會對空間天氣產(chǎn)生顯著影響，比如太陽耀斑和日冕物質(zhì)拋射等。太陽是一個熾熱的物體，它體積巨大、密度高，磁場和引力強大。太陽的重力抑制了它膨脹的趨勢，在重力和膨脹之間達到了平衡。這些不同的力引發(fā)了太陽表面的劇烈活動。氣流引發(fā)太陽磁力線扭轉(zhuǎn)，也會阻止太陽內(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。磁場阻止熱氣上升，困在太陽黑子下方的熱氣也在給磁場施壓。這些氣流會把磁力線卷縮成緊密的螺旋，但有時壓力不斷膨脹，被壓縮的磁場突然彈開，就會產(chǎn)生太陽耀斑。

太陽耀斑爆發(fā)時，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)域瞬時加熱，向外發(fā)射各種電磁輻射，并伴隨粒子輻射突然增強。太陽耀斑的火焰大到幾乎可以吞噬整個地球。一旦爆發(fā)，8分鐘后X射線等強電磁波就能到達地球，30分鐘后抵達的是高能粒子，再過2到3天就是高溫帶電等離子體。這些被統(tǒng)稱為太陽風暴，就相當于外層空間的狂風暴雨。

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光譜，包括我們看不見的光——X射線和伽馬射線。這些射線對人類來說是危險的。幸運的是地球的大氣層吸收了大部分高能射線，不過，這并不意味著每個人在太陽耀斑下都絕對安全，例如高海拔地區(qū)的人及飛機上的人，就有被暴露在太陽耀斑輻射下的危險。短時間照射可能會引發(fā)皮膚紅腫，長時間照射則會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。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。電子還會產(chǎn)生磁場，這對衛(wèi)星也是有害的。有些衛(wèi)星擁有抗輻射的防護層，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)測和研究太陽相關(guān)參數(shù)?？臻g環(huán)境關(guān)注的是粒子、磁場、電磁波等參量。

空間天氣監(jiān)測范圍更大，從監(jiān)測距地面20～30千米高度的中高層大氣往上直至太陽表面的活動區(qū)；監(jiān)測對象也復雜，既要監(jiān)測中高層大氣中的溫度、密度、速度等流體力學參數(shù)，也要監(jiān)測電離層、磁層和行星際以及太陽表面的粒子、場和溫度等離子體參數(shù)。

空間天氣監(jiān)測的手段多種多樣：使用光學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，用半導體或靜電分析儀監(jiān)測粒子。

太陽是地球天氣氣候和空間環(huán)境變化的驅(qū)動源，它的外部結(jié)構(gòu)分三層，從里向外依次是光球?qū)印⑸驅(qū)雍腿彰釋?。人們?nèi)庋劭吹降氖枪馇驅(qū)?，在這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。雖然單獨的太陽耀斑不足以對地球表面產(chǎn)生什么影響，強大的日冕物質(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產(chǎn)生地磁暴。而太陽質(zhì)子事件發(fā)生的時候，來自太陽的高能粒子數(shù)量迅猛增長，會對空間站和航天員造成威脅。

日冕物質(zhì)拋射并不會產(chǎn)生強烈的光，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，強大的太陽磁場會重新安排地球的磁場，使其產(chǎn)生不可預(yù)測的移動。日冕物質(zhì)拋射的后果不僅僅是漂亮的極光，磁場波動還會令指南針失效。同時因為磁場可以發(fā)電，所有的導體都是誘導物，所以一個強勁的日冕物質(zhì)拋射可以與大型的導體感應(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，亟需科學觀測。我國2021年7月5日發(fā)射的“黎明星”風云三號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，填補了全球數(shù)值天氣預(yù)報模式在晨昏時段的衛(wèi)星資料觀測空白。其中太陽X射線和極紫外成像儀是國際上首臺具有X射線和極紫外兩個波段的太陽成像儀，可實現(xiàn)觀測太陽日冕活動，能更準確地預(yù)報空間天氣。太陽輻照度光譜儀是我國第一臺空間對日全能譜高光譜觀測儀器，用于監(jiān)測太陽入射地球的能量微小變化，包含豐富的太陽光譜精細結(jié)構(gòu)，對精密監(jiān)測地球氣候系統(tǒng)能量變化具有重要意義。

2022年6月1日，風云三號E星及其地面應(yīng)用系統(tǒng)轉(zhuǎn)入業(yè)務(wù)試運行。該星與風云三號C星和D星實現(xiàn)三星組網(wǎng)，每6小時為數(shù)值預(yù)報模式提供一次完整覆蓋全球的觀測資料，有效提高全球數(shù)值天氣預(yù)報的精度和時效。6月15日，風云三號E星在軌業(yè)務(wù)運行后的首次產(chǎn)品發(fā)布，產(chǎn)品包括風場測量雷達海面風場產(chǎn)品、海冰監(jiān)測產(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、全球預(yù)報、全球服務(wù)”，并為服務(wù)“一帶一路”、進一步增強我國氣象衛(wèi)星的綜合觀測能力和應(yīng)用服務(wù)能力，推動我國氣象事業(yè)高質(zhì)量發(fā)展起到積極作用。

我國預(yù)報水平居前列

太陽分為平靜與爆發(fā)兩種活動模式。平靜時太陽風速度低，變化慢，物質(zhì)密度相對較低，沒有明顯的爆發(fā)活動。一旦轉(zhuǎn)入爆發(fā)模式，太陽風速度加快，密度增大，溫度也會出現(xiàn)跳躍式升高，出現(xiàn)耀斑和日冕物質(zhì)拋射，冷卻時間大幅度縮短，甚至開啟“狂暴模式”，多種爆發(fā)活動同時甚至連續(xù)發(fā)生。對應(yīng)兩種太陽活動模式，地球磁層、電離層和熱層在內(nèi)的空間環(huán)境也會隨之發(fā)生變化。空間天氣中的“風”是太陽風，“雨”則是來自太陽的帶電粒子雨，會對人造衛(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)域進行必要的監(jiān)測，監(jiān)測內(nèi)容包括太陽表面的活動區(qū)、行星際、磁層空間和電離層中的粒子、電場、磁場和波動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，以及導航活動的空間領(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)錯誤、電路功能混亂或計算機整機癱瘓，引發(fā)機器工作異?；蚬收?，甚至將其徹底摧毀。能量相對低一些的高能粒子，則可以在航天器內(nèi)部的電路板、導線等位置產(chǎn)生電荷堆積，阻礙航天器正常工作。在航天器發(fā)射和運行期間，對空間天氣要素進行連續(xù)監(jiān)測和預(yù)報，對可能發(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。

為了準確預(yù)報空間天氣，預(yù)報員會收集最新的觀測數(shù)據(jù)，包括各個波段的太陽圖像、太陽X射線流量、太陽磁場、地磁指數(shù)、電離層狀態(tài)等，對數(shù)據(jù)進行綜合分析，然后結(jié)合觀測數(shù)據(jù)、數(shù)值模擬等作出預(yù)報，最后與首席預(yù)報員進行會商，得出空間天氣預(yù)報結(jié)論，并制作出各種預(yù)報產(chǎn)品。

隨著太空探索的快速發(fā)展，空間天氣預(yù)報變得越來越重要。20世紀90年代末，中國氣象局開始空間天氣業(yè)務(wù)試驗工作。2002年，國家空間天氣監(jiān)測預(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)報產(chǎn)品種類很多，包括日報、周報、月報，以及年報等。

我國的空間天氣預(yù)報已經(jīng)邁入了數(shù)字化時代。隨著探測飛船和衛(wèi)星的發(fā)射，新的觀測數(shù)據(jù)源源不斷，空間天氣預(yù)報水平穩(wěn)步提高，可為航天員在太空中活動、火箭發(fā)射、衛(wèi)星運行等提供空間天氣預(yù)報及影響評估服務(wù)。2008年“神舟七號”載人飛船指令長翟志剛成為我國第一位太空出艙的航天員。當時，國家衛(wèi)星氣象中心就結(jié)合空間天氣環(huán)境準確預(yù)報了出艙窗口時間，提供了更高的出艙安全系數(shù)，避免航天員遭遇嚴重的太陽高能粒子輻射。