太空中也有“天氣”預報

唐云秋

出門時看一眼手機上的天氣預報，已成為很多人的習慣，尤其是準備去外地出差、旅游時，會更加關心目的地的天氣情況；類似地，當貨運飛船和人造衛星要發射到幾百千米至幾萬千米高的近地空間中，航天員需要出艙進入接近真空的太空環境里，自然也會想要了解那里的空間天氣狀態，而空間天氣預報就成了新的關注點。

那么，太空中的“天氣”是什么樣？何為空間天氣？它是怎么預報的？

什么是空間天氣？

“周昭王末年，夜清，五色光貫紫薇，其王南巡不返”。

這是出現在距今約三千年前的戰國時期，魏國人完成的編年體史書——《竹書紀年》中的一段話。其中的“五色光”，就是大家所熟知的極光現象。

如同是一位信使，極光不僅帶來遠在1.5億公里之外太陽的“問候”，它還“透露”了宇宙中流傳已久的秘密——空間天氣。

在地球與太陽系唯一的恒星太陽之間，我們能夠看到與感覺到的陽光，其實只是穿梭在其中的一小部分，大量如伽馬、X射線這種日常難以接觸、能量更高的光線才是常客。

除此之外，還有一刻不停、“吹拂”到太陽系每一個角落的太陽風，它們構成了行星際空間的物質主體，其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。而靠近地球的這一邊，在太陽光線的照射與太陽風的聯合作用下，能量以多種形式改變著地球的空間環境，從距離地面數萬公里甚至更高的位置區域向內，形成地球磁場、電離層、熱層的立體結構。一邊是不停提升強化等級向外輸出的太陽，另一邊是擺出“層層陣線”護住基地的地球，兩者之間形成了宇宙空間中的巧妙“默契”與動態“平衡”。

但是太陽，并非一成不變，工作模式一般分為平靜與爆發兩大類，平靜時的太陽所釋放出的太陽風速度低、變化慢，物質密度也相對較低，并且沒有明顯的爆發活動。一旦太陽轉入爆發模式，太陽風就會發生明顯變化，速度升高、密度增大，甚至就連溫度也會出現跳躍式的升高，耀斑和日冕物質拋射這兩個“大招”也會隨時放出，就連冷卻時間也會大幅度縮短，甚至開啟“狂暴模式”，多種爆發活動同時甚至是連續地發生。

而上述這些變化，會對人造衛星和空間站、通訊與能源系統，以及人類健康帶來嚴重影響和危害，我們將太陽爆發活動及其所引發的空間環境變化稱為空間天氣。

空間天氣怎么監測？

如同地球天氣中的風霜雨雪等氣象要素一樣，空間環境中也存在著可以探測的環境參數，只不過換成了粒子、磁場、電磁波等參量。

如何去感知這些空間環境要素？這就要進行空間天氣監測。

與地面天氣監測系統相比，空間天氣監測具有一些顯著不同的特點：首先，空間范圍大。包括從監測距地面20-30公里高度的中高層大氣往上直至太陽表面的活動區。

其次，物理對象復雜。既要監測中高層大氣中的溫度、密度、速度等流體力學參數，也要監測電離層、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。

最后，時空尺度變化范圍大。既要監測電離層中局地分布的數分鐘和數公里范圍內不均勻結構的時空變化，又要關注從太陽表面到地球磁層頂整個日地系統超過1.5億公里范圍內的空間天氣因果鏈上關鍵區域的空間天氣參數的整體分布和變化。

另外，空間天氣監測的手段形式多樣。其中，對于電磁波，可使用光學遙感和無線電手段來觀察，對于磁場，采用磁通門或磁阻技術，對于粒子，可以用半導體或靜電分析儀。

一次完整的空間天氣事件，一般具有從太陽表面形成與發生，然后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生影響和效應的規律。

因此，從空間天氣業務需求來說，需要對從太陽—行星際—磁層空間—電離層和中高層大氣，這一空間天氣事件因果鏈上的重要區域進行必要的監測。

如今，經過近20年的努力，我國國家級空間天氣業務單位——中國氣象局國家空間天氣監測預警中心基本建設形成“天地一體化”的空間天氣監測格局，實現了日地因果鏈上“全過程”的自主觀測。

空間天氣如何預報？

空間天氣預報的作用就是預測預報空間天氣事件及其影響。早期的空間天氣預報主要關注太陽黑子的外觀變化，比如黑子個數的增減，黑子形態的改變等，有點像過去的看云識天氣，通過云朵的形態和數量預測天氣變化。現在，以觀測數據和科學理論為基礎，通過太陽表面物理參數預測耀斑發生的概率、通過數值模型計算太陽風參數等方法正在不斷發展，空間天氣預報開始邁入數值化時代。

那么，空間天氣預報是如何做出來的呢？

首先，收集最新觀測數據。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、電離層狀態等數據進行綜合分析，然后結合觀測數據、數值模擬等做出預報，與首席預報員進行會商，得出空間天氣預報結論。

其次，制作各種預報產品。空間天氣預報產品種類很多，包括日報、周報、月報、年報等。空間天氣日報總結過去24小時的空間天氣情況，并預報未來1—3天的空間天氣狀態，包括太陽活動水平、地磁活動水平以及電離層狀態等。空間天氣周報則是總結最近7天的空間天氣態勢，預報未來7天空間天氣趨勢。當有大耀斑、地磁暴等重要的空間天氣事件發生時，還會發布空間天氣現報等產品。

最后，對外公開發布。會通過網站、傳真、APP、短信、微博、微信公眾號等多種方式，發布空間天氣預報，讓大家可以了解到最新的空間天氣狀態。

當下，隨著各國探測飛船和衛星的發射，新的觀測數據源源不斷，空間天氣預報水平也將穩步提高。太空旅游、火星探測、小行星采礦、月球基地，這些過去只能在科幻小說中看到的情節正逐步變成現實。我們相信，未來會有更多的人想要了解空間天氣、關注空間天氣預報。

（源自“科普時報”）責編：馬京京