什麼是空間天氣？

說起天氣，大家首先想到的是日常生活中的風雨雷電，我們生活中的這些天氣變化，如颳風、下雨、打雷、下雪等，都是由距離地面10公里內的地球低層大氣變化引起的。

而空間天氣（通俗的說法也叫「太空天氣」）發生在距離地面20~30公里以上的空間，依次包括高層大氣、電離層、磁層、行星際空間以及太陽大氣等各個不同的空間層。太陽出現的耀斑和日冕物質拋射等劇烈活動，會對這些空間層產生嚴重影響，人們把這種由太陽活動引起的短時間尺度的變化，稱之為空間天氣。

所以，「太陽打個噴嚏，地球就會感冒」，這句話十分貼切地形容出太陽和地球之間的「親密」關係。

近年來，隨著科學技術的發展，人類對航天、通信、導航和國家安全等空間應用領域的需求導致監測空間天氣的重要性與日俱增。

空間天氣與人類關係

太陽耀斑釋放的能量會形成太陽風，來自太陽的這股「大風」可不溫柔。

在地球上，12級颱風的風速是32.5米/秒以上，而太陽風的風速卻經常保持在350~450公里/秒，是地球風速的上萬倍，最猛烈時可達800公里/秒以上。

比太陽風更「生猛」的是太陽風暴。可以說，一次太陽風暴釋放的能量，相當於10~100萬次強火山爆發或上百億枚百萬噸量級氫彈爆炸效果。

太陽風暴的爆發源於太陽表面不穩定的磁場結構，一場太陽風暴會向太空發射3枚「炮彈」，分別是強電磁波、高能帶電粒子和日冕物質與磁場。

第一枚「炮彈」——強電磁波從太陽上發射後，以光速飛行，約在8分鐘後到達地球。

在強電磁波的作用下，地球的電離層開始發生擾動，短波無線電通信信號在被電離層反射時，信號強度大幅度衰減，短波通信因此受到影響。這時，航天器的阻力也會加大。假如航天器不打開發動機維持軌道，其軌道就會不斷收縮直至航天器隕落。

如果此時爆發戰爭，在強磁波區域飛行的洲際彈道導彈也必須修正發射參數，才能精確打擊到目標。

導致世界上第一艘軌道空間站「天空實驗室」在未達到設計壽命就墜落的元兇就是太陽風暴的第一枚炮彈強電磁波。

在第一枚「炮彈」擊中地球的20多分鐘後，第二枚「炮彈」到達地球。它就是太陽耀斑所產生的高能帶電粒子。

這些帶電粒子足以穿透衛星的保護層，干擾衛星的電子元器件正常工作，使星上計算機死機，甚至徹底摧毀衛星。

有些高能帶電粒子會在地球磁力線的作用下圍繞地球做漂移運動，形成高能粒子輻射帶。運行在地球同步軌道上且與我們生活緊密相關的氣象衛星、通信衛星，大都處於輻射帶的範圍中，因此最容易受到傷害。美國的商業通信衛星Galaxy-4就是在高能粒子的打擊下徹底報廢的。

還有一部分高能粒子可以沿著地球的磁力線運動，到達地球的極區。這些高能粒子一方面增加了在極區飛行的民航飛機所受到的電磁輻射，另一方面還能干擾極區的無線電通信。

目前，從東亞地區飛往北美的航班，許多採用航程較短的極區航線，但在太陽風暴期間，這些航班不得不改飛航程較遠的太平洋航線，耗費更多的燃油和更長的時間。

太陽風暴的第三枚「炮彈」給了地球1~4天的喘息時間，1~4天之後，每秒賓士數千公里的日冕物質與它攜帶的日冕磁場登場了，它能觸發整個地球磁場的劇烈擾動。

地球磁場的巨大變化會在金屬線路中產生感應電流。1859年9月發生了有地磁記錄以來最大的一次地磁暴，當時的電報線路中所產生的電流，可以讓美國波特蘭市和波士頓市間的電報通信在沒有電源的情況下運行。

今天，我們日常生活所依賴的電能需要高壓電網進行跨區域分配、調度，高壓輸電線在地球表面形成了一個個線圈，地磁暴在其中產生的地磁感應電流能燒毀變電設備、癱瘓電網。

1989年3月，日冕物質拋射事件引發的大地磁暴，在90秒內癱瘓了加拿大魁北克省的電網，600萬魁北克省的居民在寒冬的夜晚度過了沒有電能的9個小時。

另外，大磁暴還會進一步加劇電離層的擾動，這會使GPS定位的精度變差，一些高精度GPS應用與野外作業會因此受到影響。

空間天氣可以預報嗎？

既然空間天氣與太陽活動密切相關，那麼空間天氣可以預報嗎？答案是肯定的。

然而，儘管人類對空間天氣的研究已經進行了很多年，但是對空間天氣進行預報仍然是一個具有挑戰性的難題。

空間天氣的研究和預報需要從太陽（行星際）-磁層-電離層和中高層大氣整體上進行，然而對於源頭的活動和效應的一般性規律，我們仍然不甚清楚。

為此，科學家們從源頭著手解決問題，他們不斷地發射衛星進行實地觀測，以便獲得更精確的數據為我們揭開其中的秘密。

自從美國的探險者1號飛船發現太空不是真空虛無的之後，很多航天器上都會搭載多種探測儀器去發現和描繪空間環境。

比較知名的衛星有：STEREO衛星、輻射帶探針衛星RBSP、WIND衛星、ACE衛星、SOHO衛星、GOES系列飛船，以及POES系列衛星、DMSP系列衛星、Meteosat系列衛星等。

這些用於進行空間科學探測和科學實驗研究的衛星被稱為空間科學衛星，它們攜帶著磁強計、高能粒子探測儀、太陽X射線成像儀、遠紫外成像儀等儀器，穿行於大氣層和外層空間，收集著來自空間的各種信息，對人類了解空間天氣和預測空間天氣有巨大幫助。

同時，為了更好地實現空間天氣預報，科學家們還在不斷地開發空間天氣預報模式，想讓空間天氣和我們日常生活中的大氣天氣一樣可以實現相對準確的預報。

一方面可以利用經驗模式來實現預報，另一方面則需要利用觀測數據來填充實測經驗的空白。所以說，空間科學衛星的實地觀測對構建空間天氣預報模式或是提高預報準確性和有效性都具有重要的意義。

此外，為了監測空間環境，科學家在氣象衛星、空間站和飛船上也搭載安裝了一些探測器，對空間環境進行實時地監測。

空間天氣研究是新興的基礎研究重大前沿領域之一，隨著我國經濟社會逐步進入高質量發展階段，空間信息的發展和國家安全的戰略對空間安全的要求顯著提升，這也對空間天氣研究提出了更高的要求。

我國在這一領域已有相當的基礎和一定優勢，希望更多的國際合作能夠更好地推進人類對空間天氣的了解，並對其加以利用，為構建人類命運共同體貢獻空間科學的力量。

來源：中國航天報飛天科普周刊

作者：李洋 韓金鵬 張春陽

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