空間自然災(zāi)害需要防范

文/ 王文梅 寧艷

太陽風(fēng)暴

隨著新一輪太陽活動周期的開始，空間環(huán)境可能對人類的航天活動產(chǎn)生諸多不確定影響，以致形成空間自然災(zāi)害。空間自然災(zāi)害，主要是指由宇宙環(huán)境不穩(wěn)定如太空災(zāi)害天氣、太空物體隕落、太陽磁場有害波動等引發(fā)的危險性行為和災(zāi)難性后果。人類航天活動需要防范太空自然災(zāi)害的影響。

喜怒無常的空間天氣

空間天氣的概念是美國在上個世紀(jì)90年代首先提出來的，可理解為由太陽活動釋放的電磁輻射和粒子發(fā)射在日地空間的傳遞和轉(zhuǎn)化過程。其中，從地表20 ～30 公里以上到太陽外層大氣的空間區(qū)域稱作為日地空間，其主要覆蓋中高層大氣、電離層、磁層、行星際和太陽大氣等。太陽活動相對穩(wěn)定時可稱作“好天氣”；當(dāng)太陽活動相對頻繁，甚至?xí)l(fā)無線電通信、衛(wèi)星導(dǎo)航以及電力等系統(tǒng)故障或崩潰時，將稱作為“壞天氣”。但與風(fēng)、云、雨、雪等對流層天氣不同，災(zāi)害性空間天氣的出現(xiàn)頻率不高，主要由太陽活動造成。

太陽是一個溫度高達(dá)百萬度的熾熱氣體（準(zhǔn)確講是等離子體）球，無時不在“翻江倒海”，特別是在與太陽黑子相關(guān)的“風(fēng)暴”區(qū)（專業(yè)上稱為太陽活動區(qū)），往往以“爆發(fā)性”方式向外釋放電磁輻射或高能粒子，這就是最近常見諸媒體的“太陽風(fēng)暴”。

太陽風(fēng)暴（Solar Storm）是由于太陽的劇烈爆發(fā)活動，進(jìn)而引發(fā)的強(qiáng)烈擾動。太陽爆發(fā)活動指太陽大氣中發(fā)生的持續(xù)時間短暫、規(guī)模巨大的能量釋放現(xiàn)象，主要通過增強(qiáng)的電磁輻射、高能帶電粒子流和等離子體云等三種形式釋放。隨著太陽爆發(fā)的愈演愈烈，其噴射的物質(zhì)與能量抵達(dá)近地空間后，將會引發(fā)一系列地球空間環(huán)境的強(qiáng)烈擾動，進(jìn)而影響人類活動。

在強(qiáng)太陽風(fēng)暴爆發(fā)期間，通常多次出現(xiàn)太陽耀斑和日冕物質(zhì)拋射情況的發(fā)生。前者將釋放高能電磁輻射，通過光速傳播，大約8 分鐘左右就能抵達(dá)地球，后者將釋放亞光速高能粒子流，快則幾十分鐘，慢則1 ～3 天左右抵達(dá)地球附近。

自伽利略發(fā)明望遠(yuǎn)鏡以來，人類對太陽活動的監(jiān)測大約已有400年的歷史。隨著科學(xué)技術(shù)的發(fā)展，天基太陽觀測能力顯著提升。例如，美國宇航局和歐空局聯(lián)合發(fā)射的太陽與太陽風(fēng)探測器（SOHO），可對太陽黑子活動、太陽風(fēng)以及太陽內(nèi)部結(jié)構(gòu)變化進(jìn)行實時監(jiān)控。近日，歐空局又發(fā)布消息，將啟動拉格朗日計劃，打算在從未嘗試過的拉格朗日L5 點開展太陽監(jiān)測活動，并預(yù)計在2025年左右建立相關(guān)預(yù)警機(jī)制。該計劃將重點圍繞太陽風(fēng)暴開展，有效預(yù)測太陽風(fēng)暴爆發(fā)周期，最大程度降低給地球帶來的負(fù)面影響。

太陽風(fēng)暴對航天器影響

學(xué)術(shù)界通常利用太陽黑子相對數(shù)來表征太陽活動長期水平的高低，并以1755年太陽黑子數(shù)最少時作為第一個太陽活動周。在太陽活動中，其周期變化有時長達(dá)11年之久，但也有時短至幾分鐘的爆發(fā)。目前，太陽活動已進(jìn)入第24 個活動周期的末期，預(yù)計2020年1月前后將開始第25 個活動周期，并將于2031年6月前后結(jié)束。在此期間，太陽活動水平較低，太陽風(fēng)速也將處于較低水平，因此近期太陽活動相對平穩(wěn)。

太陽風(fēng)暴給人類活動帶來嚴(yán)重影響

太陽風(fēng)暴對人類生活造成的威脅與危害是多方面的。歷史上著名的“魁北克事件”是其中的一個例子。1989年正值第22 個太陽活動周期的黑子數(shù)高峰年，僅在一個月內(nèi)，太陽風(fēng)暴就先后產(chǎn)生了約107 次太陽X 射線耀斑，其日冕物質(zhì)的拋射也高達(dá)數(shù)十次。太陽風(fēng)暴的“席卷”，造成多起重大電力系統(tǒng)故障，加拿大魁北克省的大部分地區(qū)停電長達(dá)9 小時以上，600 萬居民生活受到嚴(yán)重影響。強(qiáng)烈太陽耀斑引起過39 次強(qiáng)烈短波通訊突然騷擾，其中15次通訊部分中斷，24 次全部中斷。

歐空局（ESA）拉格朗日計劃L5 觀測點

太陽風(fēng)暴產(chǎn)生的大磁暴還引起過多起航天器運行故障。累計曾有46 例衛(wèi)星出現(xiàn)異常的記錄。例如，大磁暴引發(fā)美國國家氣象衛(wèi)星的信號中斷，同時也導(dǎo)致某系列導(dǎo)航衛(wèi)星長時間不能正常運作，迫使軍事系統(tǒng)跟蹤的幾千個空中目標(biāo)需重新定位。

據(jù)不完全統(tǒng)計，類似“魁北克事件”的災(zāi)害性空間天氣事件每個太陽活動周期平均會出現(xiàn)幾起至十幾起。再如第23 個太陽活動周期中發(fā)生的“萬圣節(jié)事件”（因正值西方的萬圣節(jié)而得名），造成全球短波通訊中斷，民航通訊出現(xiàn)故障；美國宇航局的火星探測衛(wèi)星奧德賽飛船上的觀測設(shè)備被粒子輻射徹底毀壞；我國北京、滿洲里等地區(qū)無線電觀測點短波信號也曾因此一度中斷。

隨著現(xiàn)代航天技術(shù)的迅猛發(fā)展，基于太空平臺的裝備系統(tǒng)和信息系統(tǒng)在太空活動中的應(yīng)用愈加廣泛。隨之而來的是空間天氣對太空活動的影響范圍不斷擴(kuò)大，影響程度也不斷加深。太陽風(fēng)暴對以下幾個方面具有重要影響：

對航天活動產(chǎn)生影響。太陽風(fēng)暴噴發(fā)出的高能帶電粒子可持續(xù)撞擊航天器表面，并造成航天器的輻射損傷。同時，大量的高能電子也會穿過電子器件，嚴(yán)重影響儀器發(fā)出的指令與數(shù)據(jù)圖像。據(jù)分析，當(dāng)飛船在深空航行或航天員在艙外作業(yè)時，大約有十分之一的概率將受到致命劑量的高能帶電粒子輻射，由此可見其對航天活動產(chǎn)生的危害性。

對通信、預(yù)警、導(dǎo)航定位等產(chǎn)生影響。隨著太陽風(fēng)暴的爆發(fā)，短波無線電通信和預(yù)警雷達(dá)的可用頻帶會因電離層突然騷擾而變窄，衛(wèi)星微波通信也會因電離層閃爍而降低通信質(zhì)量，甚至信號中斷；GPS 衛(wèi)星導(dǎo)航、定位誤差會因電離層暴而增至數(shù)十米到數(shù)百米。

肆虐無情的太陽風(fēng)暴

太陽風(fēng)暴吹拂地球磁場形成的磁層

魁北克大停電事故中被燒毀的變壓器

對在軌航天器運行產(chǎn)生影響。太陽風(fēng)暴導(dǎo)致高層大氣密度發(fā)生劇烈擾動，航天器飛行的實際軌道將嚴(yán)重偏離預(yù)測軌道，以至地面跟蹤站會“丟失”跟蹤目標(biāo)。

積極防范，有效化解“太陽危機(jī)”

只要采取措施積極防范，空間天氣造成的危害是可以避免的。

監(jiān)測預(yù)報。加強(qiáng)太空災(zāi)害天氣的監(jiān)測預(yù)報，發(fā)展監(jiān)測預(yù)報手段，建立災(zāi)害天氣預(yù)報機(jī)制。比如在日地拉格郎日點建立空間天氣檢測站點，在低軌和高軌分別開展長期太空環(huán)境監(jiān)測，建立地面監(jiān)測和管理機(jī)構(gòu)，形成太空災(zāi)害天氣的監(jiān)測預(yù)報體系，形成監(jiān)測預(yù)報機(jī)制。

機(jī)理研究。根據(jù)太空災(zāi)害監(jiān)測數(shù)據(jù)，開展天氣環(huán)境研究，提高對空間天氣的認(rèn)識水平；開展災(zāi)害天氣對太空活動的影響研究，研究太空環(huán)境對航天器的影響機(jī)理；開展空間天氣對大氣密度、地球磁場等地球環(huán)境的影響機(jī)理研究。

重視防護(hù)。在現(xiàn)有認(rèn)識水平的基礎(chǔ)上，綜合考慮技術(shù)難度和成本代價，研究太空安全裝備對災(zāi)害天氣的規(guī)避措施，適度提高太空安全裝備的防護(hù)能力。

技術(shù)創(chuàng)新。開展太空災(zāi)害天氣應(yīng)對和防范技術(shù)創(chuàng)新，探索激光通信等新型空間通信手段，降低災(zāi)害天氣對天基通信的影響。