宇宙天氣預(yù)報(bào)

2003年10月24日，日本通信綜合研究所發(fā)布的太陽(yáng)地球環(huán)境預(yù)報(bào)說(shuō)：“太陽(yáng)活動(dòng)正處于由平穩(wěn)轉(zhuǎn)向活躍的狀態(tài)，預(yù)計(jì)今后將更加活躍”。這時(shí)太陽(yáng)表面出現(xiàn)大片的黑子區(qū)域。4天后的10月28日，太陽(yáng)表面發(fā)生巨大的耀斑爆發(fā)。這個(gè)耀斑輻射大量的X射線，其規(guī)模居于自1975年觀察以來(lái)的第二位。

在耀斑爆發(fā)期間，太陽(yáng)表面不單輻射X射線，還以迅猛的速度釋放由質(zhì)子或電子組成的等離子體。由于從地球上看耀斑幾乎是在太陽(yáng)的正面發(fā)生，所以耀斑發(fā)生8分鐘后X射線直接襲擊地球，19小時(shí)后等離子體像云塊那樣到達(dá)。這個(gè)耀斑引發(fā)了各種異常現(xiàn)象。

耀斑發(fā)生的次日即29日夜，北海道的長(zhǎng)野縣等地觀測(cè)到帶有紅色特征的低緯度極光。據(jù)說(shuō)在歐洲、澳大利亞以及美國(guó)的佛羅里達(dá)、夏威夷等地也可看到極光。

耀斑發(fā)生幾小時(shí)后，擔(dān)負(fù)日本航天研究所（JAXA）的數(shù)據(jù)中繼衛(wèi)星“回聲”的姿態(tài)控制傳感器發(fā)生異常，為此JAXA將其切換到更為安全的模式，以避免受耀斑的更大影響。

其他各種衛(wèi)星也受到這個(gè)耀斑的影響。NASA環(huán)繞火星的奧德賽輻射線探測(cè)器發(fā)生異常；歐洲宇航局飛向月球的探測(cè)衛(wèi)星“SMART—1”的發(fā)動(dòng)機(jī)自動(dòng)停止，可見(jiàn)耀斑影響力之大。

另外，也有人認(rèn)為JAXA的“綠色2號(hào)”環(huán)境觀測(cè)衛(wèi)星也因在10月31日受到太陽(yáng)耀斑的損害而棄用。但是那是23日發(fā)生的另一次耀斑，其規(guī)模雖然沒(méi)有28日的大，但還是遠(yuǎn)比通常發(fā)生的耀斑大。其輻射的等離子體使地球磁場(chǎng)變得十分強(qiáng)，由此可以推測(cè)“綠色2號(hào)”的故障與太陽(yáng)的耀斑存在某種聯(lián)系。另外，因?yàn)檫@個(gè)耀斑的原因，NASA的錢(qián)德拉X射線天文衛(wèi)星從24日起關(guān)閉，停止觀測(cè)一天。

輻射威脅航天員

來(lái)自太陽(yáng)的等離子體，侵害的不止是人造衛(wèi)星。因?yàn)轱w來(lái)的質(zhì)子是放射線的一種，逗留在空間站或宇航飛機(jī)內(nèi)的航天員也有遭受輻射的危險(xiǎn)。在10月末發(fā)生的耀斑中，地面指揮中心要求空間站內(nèi)的航天員藏身在受輻射影響小的地方。

2001年，由于耀斑爆發(fā)，美國(guó)中止了預(yù)定在航天飛機(jī)上進(jìn)行的艙外行走計(jì)劃。

射線使衛(wèi)星錯(cuò)誤動(dòng)作

那么，巨大的太陽(yáng)耀斑發(fā)生時(shí)，究竟會(huì)引起多大的影響呢？首先，如前所述，巨大的太陽(yáng)耀斑發(fā)生時(shí)，會(huì)釋放大量的X射線或質(zhì)子和電子的放射線。如果人造衛(wèi)星受到大量放射線的襲擊，就可能遭受大的損害。因?yàn)橘|(zhì)子帶正電荷，會(huì)引起非常小的放電現(xiàn)象，使半導(dǎo)體器件誤以為電信號(hào)，導(dǎo)致其內(nèi)部的訊號(hào)顛倒。

這樣的現(xiàn)象如果是小規(guī)模的——在平時(shí)就可能發(fā)生——不至于引起大的信號(hào)顛倒，造成人造衛(wèi)星的程序失常。但是如果受大量質(zhì)子輻射的話，則可能使信號(hào)顛倒，讓衛(wèi)星錯(cuò)誤動(dòng)作。通常研究人員無(wú)奈地將此稱為“幽靈指令”。

1994年2月22日，日本NHK在衛(wèi)星直播挪威利勘哈默爾冬奧會(huì)的跳躍滑雪比賽時(shí)信號(hào)突然中斷，原因就是幽靈指令使衛(wèi)星的太陽(yáng)電池板以平時(shí)32倍的速度高速旋轉(zhuǎn)，造成了電力供應(yīng)不足。

質(zhì)子輻射還會(huì)使人造衛(wèi)星的太陽(yáng)電池板受到質(zhì)子等粒子碰撞從而老化的例證。1989年的8、9、10三個(gè)月太陽(yáng)發(fā)生大的耀斑。從日本的向日葵氣象衛(wèi)星的太陽(yáng)電池的輸出圖像來(lái)看，每次耀斑發(fā)生后一年左右，太陽(yáng)電池板就老化了。如果能準(zhǔn)確預(yù)測(cè)飛來(lái)的太陽(yáng)耀斑射線，那么通過(guò)地面指令，稍微挪動(dòng)一下太陽(yáng)電池板的角度，就能減輕這種損傷。

等離子體造成停電

發(fā)生大的耀斑后，存在于太陽(yáng)周邊日冕的等離子體成團(tuán)地向地球飛來(lái)。這個(gè)被稱為CME（日冕物質(zhì)拋射），通常2天左右到達(dá)地球磁層。2003年10月28日發(fā)生的耀斑比預(yù)料的還快，近19個(gè)小時(shí)就到達(dá)地球，速度超過(guò)每秒2 000千米。

如果CME到達(dá)地球，等離子體會(huì)流向在地球磁層的兩極，頻繁地引起強(qiáng)烈極光。極光中流過(guò)的大電流，會(huì)使地面上的輸電線設(shè)備和鐵等制造的管線產(chǎn)生強(qiáng)大的感應(yīng)電流。1989年3月13日，加拿大魁北克省就因太陽(yáng)耀斑爆發(fā)，等離子團(tuán)引起大規(guī)模的極光。同時(shí)因產(chǎn)生強(qiáng)大的感應(yīng)電流，把變壓器燒毀造成大面積的停電，約100萬(wàn)人受到影響。

另外，這種感應(yīng)電流會(huì)加速金屬的電化學(xué)腐蝕，造成管線破損泄露事故。

磁暴產(chǎn)生極光

極光是沿著地球磁場(chǎng)線涌入兩極的電子或質(zhì)子與高層大氣中的氧和氮等發(fā)生碰撞引起的發(fā)光現(xiàn)象。所以極光一般只有在高緯度的地區(qū)才能看到。但是，如果太陽(yáng)發(fā)生強(qiáng)烈耀斑（磁暴），像日本那樣低緯度的國(guó)家也可以看到極光。

觀看兩極的極光的極光，就像觀賞“戴”在高緯度地區(qū)的戒指似的。大的磁暴引起的這個(gè)環(huán)越大，能夠看到極光的地區(qū)的緯度也越低。順便指出，極光上部是紅的，在低緯度地區(qū)看到紅色極光是因?yàn)榈厍蚴菆A的，其他色光在穿越較厚的大氣時(shí)被散射了。

在極光出現(xiàn)的高緯度地區(qū)，質(zhì)子或電子輻射嚴(yán)重，連接美國(guó)與日本的高緯度航線上飛機(jī)的乘客或駕駛員很可能遭放射線輻射。為保證安全，2003年10月末發(fā)生耀斑之際，美國(guó)聯(lián)邦航空局對(duì)高度7.6千米（通常飛機(jī)的飛行高度時(shí)10千米）以上的飛行發(fā)出警告。另外，從28日到30日臨時(shí)關(guān)閉了北緯57°以北的航線。

磁暴還產(chǎn)生意想不到的影響。因極光產(chǎn)生的熱使空氣受熱上升，增加了繞地衛(wèi)星的大氣阻力。日本當(dāng)時(shí)的“飛鳥(niǎo)”X射線天文衛(wèi)星正在大約400千米的軌道運(yùn)轉(zhuǎn)，由于2000年7月16日發(fā)生的磁暴使軌道處的大氣密度增多，阻力增大，造成姿態(tài)失去控制，軌道降低，結(jié)果于次年3月沖進(jìn)大氣層燒毀。

電離層暴使GPS失常

由CME引起的磁暴還會(huì)造成電離層暴。一旦引起電離層電磁暴，會(huì)干擾人造衛(wèi)星與地面的無(wú)線電通信，在通信中發(fā)生誤差。由此就會(huì)造成氣象衛(wèi)星的圖像紊亂或GPS的定位出現(xiàn)誤差。如果GPS出現(xiàn)偏差，那么汽車(chē)或者飛機(jī)等的導(dǎo)航系統(tǒng)就會(huì)受到影響。

類似的事故還可由太陽(yáng)耀斑中的X射線引起。如果來(lái)自太陽(yáng)的X射線到達(dá)地球，會(huì)干擾電離層的底層。由于飛機(jī)或船舶無(wú)線電等利用的短波通信是通過(guò)這個(gè)電離層的底層將電磁波反射，使電磁波傳向遠(yuǎn)方。一旦受到干擾就無(wú)法通信。據(jù)說(shuō)2003年10月末發(fā)生的耀斑，曾使飛越大西洋的航班和地面指揮中心失去聯(lián)絡(luò)。

防災(zāi)于未然

太陽(yáng)活動(dòng)對(duì)地球和太空探索有不可估量的影響。為了減小上述這些影響，新的“宇宙天氣預(yù)報(bào)”正在興起。如果能預(yù)測(cè)到在太陽(yáng)表面即將發(fā)生的耀斑，準(zhǔn)確發(fā)出警報(bào)；將可及時(shí)把空間站轉(zhuǎn)移到受輻射影響小的地方，保證航天員免受輻射；把可能因輻射導(dǎo)致錯(cuò)誤動(dòng)作的衛(wèi)星切換到安全模式，事先做好應(yīng)對(duì)工作。為了預(yù)報(bào)這些現(xiàn)象，首先要正確地觀測(cè)到太陽(yáng)發(fā)生的耀斑或CME，接著要通過(guò)計(jì)算機(jī)模擬程序預(yù)測(cè)可能發(fā)生什么。

它的方法與“地上的”天氣預(yù)報(bào)類似。在地上的天氣預(yù)報(bào)，通常是先收集各地觀測(cè)的氣壓、溫度、風(fēng)向等氣象信息，和過(guò)去的數(shù)據(jù)等為基礎(chǔ)進(jìn)行模擬并作出預(yù)測(cè)。

現(xiàn)在我們已經(jīng)能通過(guò)互聯(lián)網(wǎng)看到宇宙天氣預(yù)報(bào)。日本通信綜合研究所以獨(dú)立觀測(cè)的信息為基礎(chǔ)，綜合NASA（美國(guó)國(guó)家航空航天局）或NOAA（美國(guó)海洋大氣層局）等世界性機(jī)構(gòu)公開(kāi)的數(shù)據(jù)，作為日常事務(wù)進(jìn)行預(yù)報(bào)活動(dòng)。

另外，日本名古屋大學(xué)的太陽(yáng)地球研究所正在公開(kāi)以高緯度地區(qū)為主的電壓分布、帶電粒子流的實(shí)時(shí)宇宙天氣圖。

提高預(yù)報(bào)精度

關(guān)于今后的宇宙天氣預(yù)報(bào)，太陽(yáng)地球環(huán)境研究所的上出所長(zhǎng)說(shuō)：“現(xiàn)在的宇宙天氣預(yù)報(bào)除了預(yù)測(cè)在什么地方可能發(fā)生什么外，尚無(wú)法預(yù)測(cè)更細(xì)微的現(xiàn)象。要預(yù)先更詳細(xì)的現(xiàn)象，需要研究更先進(jìn)觀測(cè)技術(shù)和模擬技術(shù)。

為了詳細(xì)理解太陽(yáng)地球間發(fā)生的現(xiàn)象，通信綜合研究所與名古屋大學(xué)正在進(jìn)行太陽(yáng)風(fēng)（等離子體等的流向）對(duì)地球磁場(chǎng)影響的模擬研究。

另外，北海道大學(xué)的渡邊教授正在研制日本上空的電離層出現(xiàn)什么樣變化的模擬。如果這個(gè)計(jì)劃實(shí)現(xiàn)，就能夠預(yù)測(cè)幾天內(nèi)日本上空的宇宙天氣。在這項(xiàng)模擬試驗(yàn)中使用了國(guó)家地理院為測(cè)定地形的形變?cè)谌珖?guó)攝制的GPS數(shù)據(jù)。GPS的數(shù)據(jù)從人造衛(wèi)星取得，由于這個(gè)信息會(huì)隨大氣或電離層的變化而波動(dòng)。反過(guò)來(lái)說(shuō)，從GPS數(shù)據(jù)的波動(dòng)變化，我們可以知道在大氣發(fā)生了什么。

提高預(yù)報(bào)的精度除了提高這種模擬技術(shù)外，還要提高太陽(yáng)或地球磁層的觀測(cè)精度。另外，與設(shè)置更多的觀測(cè)點(diǎn)可以提高地球天氣預(yù)測(cè)的精度一樣，如果能用更多的人造衛(wèi)星觀測(cè)宇宙空間，則有可能獲得更精確的宇宙天氣的信息。

總之，我們的生活與太陽(yáng)息息相關(guān)，為了保護(hù)我們的生存環(huán)境，經(jīng)常監(jiān)視太陽(yáng)，提高“宇宙天氣預(yù)報(bào)”的精度是非常必要的。