太空時代新天氣預報

王聰 韓大洋

空間天氣現(xiàn)象的源頭

太陽是一切空間天氣現(xiàn)象的源頭，是空間天氣事件的最初驅(qū)動者。太陽是恒星家族中的一個中年大叔，而且脾氣相當不好，動不動就會釋放出大量的能量。太陽大致可以分為核心區(qū)、輻射區(qū)、對流區(qū)、光球?qū)印⑸驅(qū)印⑦^渡區(qū)和日冕七大部分。

核心區(qū)占太陽半徑的1/5～1/4，這里是進行核聚變的區(qū)域，也是導致太陽脾氣暴躁的區(qū)域，因為太陽99%的能量在此產(chǎn)生—高達1500萬攝氏度的高溫，使得太陽內(nèi)部的氫轉(zhuǎn)變?yōu)楹ぃ倭康暮ぴ俎D(zhuǎn)換為碳、氮、氧等重元素，從而釋放出大量能量。從核心區(qū)的外部到70%的太陽半徑之間是太陽的輻射區(qū)，熱輻射是這個區(qū)域的主要能量傳輸方式。再向外一直延伸到接近表面，則是太陽的對流區(qū)，這個區(qū)域的溫度和密度相對于輻射區(qū)要低，因此無法用輻射傳輸?shù)姆绞酵瓿捎蓛?nèi)而外的能量流動，只能選擇對流的方式將太陽核心區(qū)釋放的能量傳輸?shù)奖砻妗α鲗酉蛲鈩t是太陽的大氣，包括光球?qū)印⑸驅(qū)印⑦^渡區(qū)以及日冕。

太陽雖然脾氣很暴躁，但是耍脾氣的方式（釋放能量的方式）非常單一，就是通過磁場活動。太陽的磁場在對流層底部產(chǎn)生之后形成很強的磁流管。這些磁流管非常不穩(wěn)定，向上浮現(xiàn)后形成了一個又一個的活動區(qū)，這些活動區(qū)的活動特征有黑子、譜斑、暗條等。

太陽內(nèi)部結(jié)構(gòu)（圖片來源 / Wiki）

太陽黑子圖，圖中黑色部分為黑子的本影區(qū)，灰色為半影區(qū)，黃色部分為米粒組織（供圖 / 毛田）

SDO衛(wèi)星拍攝的耀斑爆發(fā)（供圖 / 毛田）

SOHO衛(wèi)星拍攝的日冕物質(zhì)拋射（供圖 / 毛田）

爆發(fā)：耀斑和日冕物質(zhì)拋射

惡劣空間天氣環(huán)境主要由耀斑和日冕物質(zhì)拋射（CME）引起，其中絕大部分由黑子群或活動區(qū)的復雜磁場釋放的能量導致。

太陽耀斑是太陽大氣最大的能量釋放現(xiàn)象，爆發(fā)時太陽大氣局部突然變亮，并伴隨粒子發(fā)射。耀斑爆發(fā)后，日冕在短時間內(nèi)被加熱到幾千萬攝氏度，太陽軟X射線大大增強，高能電子的回旋同步輻射和韌致輻射也將分別激發(fā)射電暴和硬X射線暴，對人類的航天器和空間活動造成影響。因此，耀斑預報和耀斑發(fā)生時產(chǎn)生的各類輻射是空間天氣關注的一個方面。而作為空間天氣預報重要一環(huán)的耀斑預報，正在向自動化預報方向發(fā)展，比如結(jié)合機器學習和太陽物理學等學科的預報機制。

日冕物質(zhì)拋射（CME）是太陽大氣中出現(xiàn)的最大規(guī)模的快速拋射現(xiàn)象，在日地關系中起著關鍵作用。它會在短時間內(nèi)像潑水一樣，從日冕拋射出1014～1016g攜帶磁場的物質(zhì)進入到日地空間中。1971年12月14日，美國海軍實驗室OSO-7衛(wèi)星首次觀測到當時被稱之為“日冕瞬變事件”的日冕物質(zhì)拋射。

日冕物質(zhì)拋射最重要的特性就是其對地有效性，即能否到達地球并攜帶有可產(chǎn)生磁暴的磁場。日冕物質(zhì)拋射撞擊地球磁層時，會產(chǎn)生大的地磁暴，進而造成大量對人類技術系統(tǒng)的不利影響，例如電網(wǎng)出現(xiàn)故障、衛(wèi)星導航失靈。因此，在預報中準確確定日冕物質(zhì)拋射發(fā)生的位置、行進的方向以及何時到達地球非常重要。就像是打雪仗時，我們要預測別人扔來的雪球要從哪個方向、什么時候砸到我們一樣。

沉默的巨人：冕洞和磁暴

冕洞是太陽日冕區(qū)域存在的一些電磁輻射弱、溫度和密度比周圍小得多的特殊區(qū)域，這些區(qū)域就好像是在太陽的日冕層挖掉了一部分（如下頁圖）。冕洞區(qū)域受到太陽開放性磁場的影響，噴射出太陽高速流，從而影響到地球的地磁活動。冕洞對地磁的影響與冕洞的面積成比例，并且跨越赤道的冕洞比未跨越赤道的同級冕洞引起的地磁效應更為強烈。

冕洞對地磁活動的影響是通過太陽風和行星際磁場與地磁場的相互作用產(chǎn)生的，并且隨著太陽的自轉(zhuǎn)存在一個大約27天的周期。因此，在空間天氣的預報過程中，我們可以參考上一個周期冕洞產(chǎn)生的影響，再結(jié)合冕洞的大小、位置等信息來預報近期冕洞對地磁的影響—是否會產(chǎn)生地磁暴。

地磁暴是一種劇烈的、全球性的地磁擾動現(xiàn)象，以環(huán)繞地球的強電流形成為基本標志。從1722年格雷厄姆第一次觀測到地磁暴至今，地磁暴一直是地球物理學界熱烈討論的話題，也是地磁和空間物理學中極富挑戰(zhàn)性的課題之一。地磁暴產(chǎn)生的具體物理過程現(xiàn)在仍然不是很清楚，一般認為，地磁暴是由行星際磁場南向分量與地球磁場發(fā)生磁重聯(lián)，使太陽風中的能量和粒子注入磁層內(nèi)部而觸發(fā)的。地磁暴對于通信系統(tǒng)、電力系統(tǒng)、輸油管道、空間飛行器、信鴿飛行等有嚴重影響，同時，地磁暴還會引起電離層暴，從而干擾短波無線電通信;它還可能干擾電工、磁工設備運行，因此地磁暴研究和預報有重要的實際應用價值。

空間天氣學的興起

當太陽活動將巨大的能量和物質(zhì)拋向地球時，會引起地球空間環(huán)境發(fā)生災害性變化，惡劣的空間天氣會給人類生活帶來巨大的損失。1989年3月，太陽活動劇烈爆發(fā)，產(chǎn)生了歷史上罕見的空間天氣災害事件，導致衛(wèi)星提前隕落、無線電通信中斷、輪船和飛機導航系統(tǒng)失靈，甚至還造成了美國核電站變壓器被燒毀、加拿大北部電網(wǎng)故障造成大范圍停電等嚴重事故。而國內(nèi)外航天實踐也表明，災害性空間天氣是衛(wèi)星在軌故障的主要原因之一，居各種故障因素首位。

太陽冕洞，黑色部分為冕洞區(qū)域（圖片來源 / SDO網(wǎng)站）

隨著人類文明的飛速發(fā)展，一些國家逐漸意識到極端空間天氣的危害，紛紛開始制定空間天氣計劃。1995年，美國率先制訂了“國家空間天氣戰(zhàn)略計劃”，隨后又于1997年、2000年發(fā)布了“美國空間天氣執(zhí)行計劃”，從而建立了較為完整的空間天氣業(yè)務技術服務體系。20世紀80年代起，中國也相應開展了一系列的探測和研究項目，比如“雙星”計劃、“子午工程”“夸父”計劃等;1999年，中國科技部等10部委提出《國家空間天氣戰(zhàn)略規(guī)劃建議》，標志著中國大規(guī)模空間天氣研究的開始。

空間天氣業(yè)務的發(fā)展趨勢

中國空間天氣方面的研究，在“七五”規(guī)劃一直到“十二五”規(guī)劃期間都有持續(xù)投入，并取得了一系列成果，為中國進一步實施空間天氣研究計劃打下了堅實的基礎。

現(xiàn)如今，中國空間天氣檢測業(yè)務正朝著多點聯(lián)測、天地一體化方向發(fā)展;預報業(yè)務也朝著多手段、多參數(shù)的方向發(fā)展，為我們提供更專業(yè)、更準時、更有效的預報服務。未來10年左右，中國空間天氣業(yè)務將建立具有國際先進水平的空間天氣業(yè)務技術體系，基本形成天地一體化的空間天氣監(jiān)測系統(tǒng)框架，開始構(gòu)建“九章”空間天氣虛擬星座。

我們相信，未來空間天氣業(yè)務的發(fā)展必將滿足經(jīng)濟社會、國家安全等方面的需求，充分保障人們在太空中進行各種航天活動。