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        重新認(rèn)識太陽(六) 未來的天氣預(yù)報:空間天氣預(yù)報

        2024-01-20 06:25:06韓大洋
        發(fā)明與創(chuàng)新 2024年6期
        關(guān)鍵詞:耀斑太陽活動天氣預(yù)報

        ◆韓大洋

        “我們的征途是星辰大海”,這是面對未知且浩瀚的宇宙時,人類發(fā)自內(nèi)心深處的呼喊,更是努力前進的方向。隨著人類進入太空時代,越來越多空間活動得以開展,新的問題不斷出現(xiàn)。經(jīng)過近幾十年的高速發(fā)展,在面對太陽爆發(fā)活動帶來的巨大影響時,人類已經(jīng)從最初的不知所措變得應(yīng)對自如了。

        一起看太陽“直播”

        空間天氣預(yù)報就是通過預(yù)判太陽可能出現(xiàn)的活動,從而對地球周圍的空間環(huán)境變化進行預(yù)測。與傳統(tǒng)的天氣預(yù)報一樣,要想預(yù)測太陽活動,首先要解決的就是“看得見”的問題。

        為此,人們想到了望遠鏡,通過架設(shè)在地面臺站的大口徑望遠鏡,對太陽的光球、色球?qū)舆M行觀測,從而獲取太陽黑子活動區(qū)、磁場形態(tài)結(jié)構(gòu)、太陽射電強度等關(guān)鍵信息。位于山東省石島氣象臺的空間天氣太陽監(jiān)測站,分別架設(shè)了太陽光球色球望遠鏡與太陽射電望遠鏡,它們協(xié)同工作,共同為預(yù)報員提供監(jiān)測資料。

        圖1 圓環(huán)陣太陽射電成像望遠鏡(圖/中國科學(xué)院國家空間科學(xué)中心 供)

        但在地球自轉(zhuǎn)的影響下,單個臺站只能在一段時間內(nèi)對太陽進行監(jiān)測,隨著太陽的西落,監(jiān)測工作就會暫停。為了滿足業(yè)務(wù)需要,提供盡量長的監(jiān)測時間,在石島氣象臺西邊約3500 千米的新疆溫泉縣氣象局,也建立了太陽監(jiān)測站,將太陽的監(jiān)測時間延長了約3 個小時。

        盡管如此,望遠鏡在地面開展太陽監(jiān)測仍然會受到天氣、大氣視寧度等眾多條件的限制,于是,科學(xué)家想到了利用衛(wèi)星。2021 年7 月5 日,我國第二代極軌氣象衛(wèi)星風(fēng)云三號E 星成功發(fā)射,它攜帶的X射線與極紫外波段太陽望遠鏡按計劃順利開機,并成功拍攝了我國首幅太空中太陽的圖像,一方面填補了我國空間太陽監(jiān)測的空白,同時也解決了以往關(guān)鍵資料數(shù)據(jù)“卡脖子”的問題。

        現(xiàn)在,國家空間天氣監(jiān)測預(yù)警中心的預(yù)報員每天都要使用風(fēng)云三號E 星拍攝的太陽極紫外圖像,以掌握太陽黑子活動區(qū)、冕洞區(qū)域的最新動向,甚至包括耀斑的爆發(fā)過程。通過對太陽不間斷地觀測,再對分鐘級的圖像資料進行加工處理,就可以制作出太陽活動的視頻,當(dāng)通過數(shù)據(jù)系統(tǒng)查看太陽監(jiān)測視頻時,就如同是觀看太陽“直播”一般。

        摸清太陽“脾氣”,把脈空間天氣

        與地面大氣活動不同,空間天氣幾乎都是看不見又摸不著的,就像《西游記》中孫悟空懸絲診脈一般,需要在變化莫測的空間環(huán)境中尋找現(xiàn)象背后的本質(zhì)。然而,獲取太陽的活動圖像只是第一步,還需要借助科學(xué)的預(yù)報方法。

        圖2 空間天氣態(tài)勢圖(圖/國家空間天氣監(jiān)測預(yù)警中心 供)

        太陽活動的爆發(fā)位置、活動類型、傳播特點以及影響效應(yīng)不同,預(yù)報、預(yù)警也會有所側(cè)重,對于發(fā)生即“命中”地球的耀斑,預(yù)報顯得至關(guān)重要。在一個以11 年為周期的太陽活動周里,存在太陽活動的低谷期,此時黑子數(shù)量少,甚至一個黑子都看不到,這對以黑子能量為爆發(fā)基礎(chǔ)的耀斑而言就是釜底抽薪,預(yù)報員會通過黑子數(shù)量從宏觀角度整體判斷耀斑發(fā)生的可能性。而在太陽活動頻發(fā)的峰值年,黑子數(shù)量多、面積大,此時就要針對太陽黑子的外形、面積、內(nèi)部磁場結(jié)構(gòu)與類型的連續(xù)變化,判斷其內(nèi)部磁場能量積蓄的情況,從而預(yù)判耀斑活動發(fā)生的可能性。

        對于日冕物質(zhì)拋射活動,在監(jiān)測到其爆發(fā)后,它能否到達地球、何時到達以及能夠產(chǎn)生多大的影響成為預(yù)報的重點。日冕物質(zhì)拋射的爆發(fā)位置很重要,當(dāng)它出現(xiàn)在背對地球一面時可以不用擔(dān)心,反之,就要根據(jù)其噴發(fā)強度、角度、速度等關(guān)鍵參數(shù),以及是否結(jié)合其他活動比如冕洞高速太陽風(fēng),對可能造成的影響做出判斷。極端情況下,甚至?xí)l(fā)生連續(xù)多次日冕物質(zhì)拋射“重疊”轟擊地球的事件,如此一來,遭遇一場大地磁暴甚至是特大地磁暴就在所難免了。這些預(yù)報方法屬于經(jīng)驗預(yù)報,通過歷史數(shù)據(jù)比對、監(jiān)測資料分析、會商研判,最終做出判斷的是預(yù)報員本身。

        圖3 太陽爆發(fā)活動前磁繩結(jié)構(gòu)的形成(圖/中國科學(xué)技術(shù)大學(xué) 供)

        現(xiàn)在,空間天氣預(yù)報業(yè)務(wù)即將進入數(shù)值預(yù)報階段。以觀測數(shù)據(jù)和科學(xué)理論為基礎(chǔ),通過太陽表面物理參數(shù)預(yù)測爆發(fā)發(fā)生的概率、通過數(shù)值模型計算太陽風(fēng)參數(shù)等方法在不斷發(fā)展,我國的第一代空間天氣“全鏈路”數(shù)值預(yù)報業(yè)務(wù)系統(tǒng)正在建設(shè)之中。

        空間天氣預(yù)報關(guān)系你我

        現(xiàn)如今,以航天領(lǐng)域為例,空間天氣預(yù)報已經(jīng)服務(wù)于發(fā)射窗口選擇、航天器在軌運行、航天員出艙、載人飛船返回等任務(wù),幾乎陪伴在每一次航天任務(wù)保障周期。

        國家空間天氣監(jiān)測預(yù)警中心是世界民航組織四大全球空間天氣中心之一,已完成7 次14 天×24 小時的當(dāng)值挑戰(zhàn),向世界民航組織發(fā)布7 類咨詢預(yù)報服務(wù)。內(nèi)容涉及短波吸收、最大可用頻率下降、極光吸收等領(lǐng)域,為每天在世界不同航線上的近11 萬架次航班以及千萬名乘客提供空間天氣服務(wù)。

        從交通出行到維持社會基礎(chǔ)的能源供給,從衛(wèi)星導(dǎo)航定位到信鴿千里歸巢,甚至是來一場說走就走的極光之旅……未來,越來越多的人類活動都離不開空間天氣預(yù)報和服務(wù)的助力。

        從上古時期的太陽崇拜到神話傳說與宗教崇拜,從兩千年前的《漢書·五行志》,再到現(xiàn)在同學(xué)們手中的《發(fā)明與創(chuàng)新》“重新認(rèn)識太陽”系列科普文章,人類在短短數(shù)千年間,實現(xiàn)了對太陽認(rèn)知的跨越,從前困擾人類數(shù)百年的科學(xué)難題已經(jīng)成為同學(xué)間討論的有趣科普故事。但我們對太陽仍要心存敬意,無論是在科學(xué)還是科幻層面上,太陽都將是人類永恒的研究對象與靈感源泉,所有的關(guān)于人類和宇宙的秘密,都隱藏在這顆溫暖我們的母星中,等待著你們繼續(xù)探索!“重新認(rèn)識太陽”系列暫時要與大家道一聲再見了。

        我是你們的大洋老師,期待與你們再次見面!

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