空間天氣知多少

忠東

你知道嗎，除了地面上有陰晴雨雪的天氣變化，遠在“九霄之外”接近真空的宇宙空間其實也有天氣存在。空間天氣描述的就是太陽爆發活動及其引發的空間環境變化。

我們在地球上看到的陽光，其實只是穿梭在地球和太陽之間的一小部分，像伽馬射線和X射線這種能量更高的光線才是其中常客，還有一刻不停吹拂到太陽系每個角落的太陽風，構成了行星際空間的物質主體。它們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。

空間天氣變化的主要源頭是太陽，“太陽大氣”劇烈爆發的現象會對空間天氣產生顯著影響，比如太陽耀斑和日冕物質拋射等。太陽是一個熾熱的物體，它體積巨大、密度高，磁場和引力強大。太陽的重力抑制了它膨脹的趨勢，在重力和膨脹之間達到了平衡。這些不同的力引發了太陽表面的劇烈活動。氣流引發太陽磁力線扭轉，也會阻止太陽內部高溫氣體上升到太陽表面產生太陽黑子。

相比之下，太陽黑子比太陽表面的其他部分暗一些，也比周圍的溫度低一些。磁場阻止熱氣上升，困在太陽黑子下方的熱氣也在給磁場施壓。這些氣流會把磁力線卷縮成緊密的螺旋，但有時壓力不斷膨脹，被壓縮的磁場突然彈開，就會產生太陽耀斑。

太陽耀斑爆發時，太陽表面局部區域大規模能量突然釋放，引起局部區域瞬時加熱，向外發射各種電磁輻射，并伴隨粒子輻射突然增強。太陽耀斑的火焰大到幾乎可以吞噬整個地球。一旦爆發，8分鐘后X射線等強電磁波就能到達地球，30分鐘后抵達的是高能粒子，再過2到3天就是高溫帶電等離子體。這些被統稱為太陽風暴，就相當于外層空間的狂風暴雨。

太陽耀斑不僅僅是熱氣的爆發，它發射出的光橫跨了整個光譜，包括我們看不見的光——X射線和伽馬射線。這些射線對人類來說是危險的。幸運的是地球的大氣層吸收了大部分高能射線，不過，這并不意味著每個人在太陽耀斑下都絕對安全，例如高海拔地區的人及飛機上的人，就有被暴露在太陽耀斑輻射下的危險。短時間照射可能會引發皮膚紅腫，長時間照射則會增大患上皮膚癌的概率，但一般來說受影響的人可以自行康復。電器在高能射線下也很脆弱。如果高能射線擊中一顆衛星，射線有能力剝離金屬原件中的金屬電子。一旦成為自由電子，它們可以使衛星中的電子元件短路。電子還會產生磁場，這對衛星也是有害的。有些衛星擁有抗輻射的防護層，但大部分衛星很脆弱。

日冕物質拋射危害大

空間天氣主要監測和研究太陽相關參數。空間環境關注的是粒子、磁場、電磁波等參量。

空間天氣監測范圍更大，從監測距地面20～30千米高度的中高層大氣往上直至太陽表面的活動區；監測對象也復雜，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。

空間天氣監測的手段多種多樣：使用光學遙感和無線電手段觀察電磁波，采用磁通門或磁阻技術感知磁場，用半導體或靜電分析儀監測粒子。

太陽是地球天氣氣候和空間環境變化的驅動源，它的外部結構分三層，從里向外依次是光球層、色球層和日冕層。人們肉眼看到的是光球層，在這一層公眾比較熟知的現象有太陽黑子，而最直接影響地球環境的是日冕層。雖然單獨的太陽耀斑不足以對地球表面產生什么影響，強大的日冕物質拋射卻是另外一回事，可以使地表電子系統產生嚴重故障。正如其名字所暗示的，日冕物質拋射將大量的磁化等離子體拋向太空，如果擊中地球可能會產生地磁暴。而太陽質子事件發生的時候，來自太陽的高能粒子數量迅猛增長，會對空間站和航天員造成威脅。

日冕物質拋射并不會產生強烈的光，而是在太空中形成蔓延數十億千米的電磁沖擊波。若是地球正巧在沖擊波的路徑上，強大的太陽磁場會重新安排地球的磁場，使其產生不可預測的移動。日冕物質拋射的后果不僅僅是漂亮的極光，磁場波動還會令指南針失效。同時因為磁場可以發電，所有的導體都是誘導物，所以一個強勁的日冕物質拋射可以與大型的導體感應生電，可能使電路過載并引發問題。

日冕層直接影響地球的環境，亟需科學觀測。我國2021年7月5日發射的“黎明星”風云三號E星，是全球首顆民用晨昏軌道業務衛星，星上搭載11種有效載荷，填補了全球數值天氣預報模式在晨昏時段的衛星資料觀測空白。其中太陽X射線和極紫外成像儀是國際上首臺具有X射線和極紫外兩個波段的太陽成像儀，可實現觀測太陽日冕活動，能更準確地預報空間天氣。太陽輻照度光譜儀是我國第一臺空間對日全能譜高光譜觀測儀器，用于監測太陽入射地球的能量微小變化，包含豐富的太陽光譜精細結構，對精密監測地球氣候系統能量變化具有重要意義。

2022年6月1日，風云三號E星及其地面應用系統轉入業務試運行。該星與風云三號C星和D星實現三星組網，每6小時為數值預報模式提供一次完整覆蓋全球的觀測資料，有效提高全球數值天氣預報的精度和時效。6月15日，風云三號E星在軌業務運行后的首次產品發布，產品包括風場測量雷達海面風場產品、海冰監測產品、夜間燈光產品等十余種。它們的應用有效支撐“全球監測、全球預報、全球服務”，并為服務“一帶一路”、進一步增強我國氣象衛星的綜合觀測能力和應用服務能力，推動我國氣象事業高質量發展起到積極作用。

我國預報水平居前列

太陽分為平靜與爆發兩種活動模式。平靜時太陽風速度低，變化慢，物質密度相對較低，沒有明顯的爆發活動。一旦轉入爆發模式，太陽風速度加快，密度增大，溫度也會出現跳躍式升高，出現耀斑和日冕物質拋射，冷卻時間大幅度縮短，甚至開啟“狂暴模式”，多種爆發活動同時甚至連續發生。對應兩種太陽活動模式，地球磁層、電離層和熱層在內的空間環境也會隨之發生變化。空間天氣中的“風”是太陽風，“雨”則是來自太陽的帶電粒子雨，會對人造衛星和空間站、通信與能源系統以及人類健康帶來嚴重影響和危害。

一次完整的空間天氣事件一般有如下過程：從太陽表面形成與發生，接著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。因此，需要對空間天氣事件因果鏈（從太陽-行星際-磁層空間-電離層和中高層大氣）的重要區域進行必要的監測，監測內容包括太陽表面的活動區、行星際、磁層空間和電離層中的粒子、電場、磁場和波動等離子體及電磁參數，熱層和電離層中的密度、溫度和速度等流體參數。

空間天氣的研究對象主要是地球表面20千米以上的空間領域，這正是大部分航天、衛星、通信，以及導航活動的空間領域。航天器上的微電子元器件最怕的就是高能粒子中能量更高的那一部分，這些高能粒子能夠穿透電子元件，造成數據錯誤、電路功能混亂或計算機整機癱瘓，引發機器工作異常或故障，甚至將其徹底摧毀。能量相對低一些的高能粒子，則可以在航天器內部的電路板、導線等位置產生電荷堆積，阻礙航天器正常工作。在航天器發射和運行期間，對空間天氣要素進行連續監測和預報，對可能發生的災害性空間天氣事件作出預警，可以保障航天器的安全。

為了準確預報空間天氣，預報員會收集最新的觀測數據，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，對數據進行綜合分析，然后結合觀測數據、數值模擬等作出預報，最后與首席預報員進行會商，得出空間天氣預報結論，并制作出各種預報產品。

隨著太空探索的快速發展，空間天氣預報變得越來越重要。20世紀90年代末，中國氣象局開始空間天氣業務試驗工作。2002年，國家空間天氣監測預警中心成立，并于2004年正式開展空間天氣業務。2021年11月16日，國際民航組織全球空間天氣中心揭牌，為全球民航業提供空間天氣服務，保障航天安全。

空間天氣預報產品種類很多，包括日報、周報、月報，以及年報等。

我國的空間天氣預報已經邁入了數字化時代。隨著探測飛船和衛星的發射，新的觀測數據源源不斷，空間天氣預報水平穩步提高，可為航天員在太空中活動、火箭發射、衛星運行等提供空間天氣預報及影響評估服務。2008年“神舟七號”載人飛船指令長翟志剛成為我國第一位太空出艙的航天員。當時，國家衛星氣象中心就結合空間天氣環境準確預報了出艙窗口時間，提供了更高的出艙安全系數，避免航天員遭遇嚴重的太陽高能粒子輻射。