日常生活離不開天氣預(yù)報(bào)，航天員在太空中活動(dòng)、火箭發(fā)射、衛(wèi)星運(yùn)行……也要關(guān)注空間天氣。如今，伴隨著太空探索的快速發(fā)展，空間天氣預(yù)報(bào)變得越來越重要。20世紀(jì)90年代末，中國氣象局開始空間天氣業(yè)務(wù)試驗(yàn)。2002年，國家空間天氣監(jiān)測預(yù)警中心成立，并于2004年正式開展空間天氣業(yè)務(wù)。2021年11月16日，國際民航組織全球空間天氣中心揭牌，實(shí)現(xiàn)為全球民航業(yè)提供空間天氣服務(wù)，保障航空安全。從2002年建成至今，我國已基本建成“天地一體化”的空間天氣監(jiān)測格局。但空間天氣是什么？怎么預(yù)報(bào)？對人類有什么影響？
空間天氣是什么
太陽爆發(fā)活動(dòng)及其所引發(fā)的空間環(huán)境變化
(資料圖片僅供參考)
生活在地面上的我們，已經(jīng)習(xí)慣了陰晴雨雪的天氣變化。但遠(yuǎn)在“九霄之外”，接近真空的宇宙空間里，也會(huì)有“天氣”存在嗎？
“在我們所處的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(shí)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其中?？?。”國家空間天氣監(jiān)測預(yù)警中心工程師韓大洋說，還有一刻不停“吹拂”到太陽系每一個(gè)角落的太陽風(fēng)，它們構(gòu)成了行星際空間的物質(zhì)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(jìn)入宇宙空間。
“而在靠近地球的這一邊，在太陽光線的照射與太陽風(fēng)的聯(lián)合作用下，能量以多種形式在改變著地球的空間環(huán)境，從距離地面數(shù)萬公里甚至更高的位置區(qū)域向內(nèi)，形成地球磁場、電離層、熱層的立體結(jié)構(gòu)。”韓大洋解釋說。
一邊是不停提升強(qiáng)化等級向外輸出的太陽，另一邊是擺出“層層陣線”護(hù)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(dòng)態(tài)“平衡”。
“太陽并不是一成不變的！”韓大洋告訴記者，太陽的工作模式一般分為平靜與爆發(fā)兩大類，平靜時(shí)的太陽所釋放出的太陽風(fēng)速度低、變化慢，物質(zhì)密度也相對較低，并且沒有明顯的爆發(fā)活動(dòng)。“而一旦轉(zhuǎn)入爆發(fā)模式，太陽風(fēng)就會(huì)發(fā)生明顯的變化，速度加快、密度增大，甚至就連溫度也會(huì)出現(xiàn)跳躍式的升高，耀斑和日冕物質(zhì)拋射這兩個(gè)‘大招’也會(huì)隨時(shí)放出，就連冷卻時(shí)間也會(huì)大幅度縮短，甚至開啟‘狂暴模式’，多種爆發(fā)活動(dòng)同時(shí)甚至是連續(xù)的發(fā)生。”
“對應(yīng)兩種太陽活動(dòng)模式，地球磁層、電離層、熱層在內(nèi)的空間環(huán)境也會(huì)隨之發(fā)生變化，這些變化會(huì)對人造衛(wèi)星和空間站、通信與能源系統(tǒng)以及人類健康帶來嚴(yán)重影響和危害。”韓大洋總結(jié)，太陽爆發(fā)活動(dòng)及其所引發(fā)的空間環(huán)境變化稱為空間天氣。
所以，空間天氣中的“風(fēng)”，就是太陽風(fēng)；“雨”，就是來自太陽的帶電粒子雨。
那“空間天氣”一詞從何而來？
據(jù)國家空間天氣監(jiān)測預(yù)警中心工程師呂景天介紹，1957年，Science News Letter（《科學(xué)新聞》）上一篇科學(xué)新聞快報(bào)文章引用了天文學(xué)家Lyman Spitzer對星際介質(zhì)的研究，并且對他當(dāng)時(shí)的一些理論進(jìn)行了解釋說明，這里首次出現(xiàn)了“空間天氣”一詞。1964年，時(shí)任美國氣象局局長在一次會(huì)議上提出，在科羅拉多州博爾德建立一個(gè)聯(lián)合小組，研究空間天氣預(yù)報(bào)的相關(guān)問題。1967年，空間天氣這個(gè)詞出現(xiàn)在了美國環(huán)境科學(xué)服務(wù)局相關(guān)技術(shù)報(bào)告中。就這樣，“空間天氣”一詞走向了大眾視野。20世紀(jì)60年代后期，“空間天氣”一詞已被廣泛的應(yīng)用起來了。
空間天氣研究什么
主要監(jiān)測和研究太陽相關(guān)參數(shù)
如同地球天氣中的風(fēng)霜雨雪等氣象要素一樣，空間環(huán)境中也存在著可以探測的環(huán)境參數(shù)，只不過換成了粒子、磁場、電磁波等參量。與地面氣象探測相比，空間天氣監(jiān)測有何不同？
據(jù)國家空間天氣監(jiān)測預(yù)警中心研究員黃聰介紹，一是范圍更大，從監(jiān)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(dòng)區(qū)；二是對象復(fù)雜，既要監(jiān)測中高層大氣中的溫度、密度、速度等流體力學(xué)參數(shù)，也要監(jiān)測電離層、磁層和行星際以及太陽表面的粒子、場和溫度等等離子體參數(shù)。
“空間天氣監(jiān)測的手段也多種多樣。”黃聰說，對于電磁波，可以使用光學(xué)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(shù)來感知；對于粒子，可以用半導(dǎo)體或靜電分析儀的手段來監(jiān)測。
空間天氣研究主要關(guān)心哪些區(qū)域？
黃聰告訴記者，主要集中在三個(gè)區(qū)域，空間天氣的源頭——太陽，該區(qū)域到地球約1.5億公里；空間天氣傳播與演化的日地連線區(qū)域——日地行星際和磁層，該區(qū)域從太陽表面一直到地面數(shù)千公里高空；空間天氣的地球響應(yīng)區(qū)域——電離層和中高層大氣，該區(qū)域從數(shù)千公里高空一直到距地面20~30公里高度。
“一次完整的空間天氣事件一般具有從太陽表面形成與發(fā)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(chǎn)生影響和效應(yīng)的規(guī)律。”黃聰說，因此，從空間天氣業(yè)務(wù)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(qū)域進(jìn)行必要的監(jiān)測，監(jiān)測內(nèi)容包括太陽表面的活動(dòng)區(qū)、行星際、磁層和電離層中的粒子、電場、磁場和波動(dòng)等等離子體和電磁參數(shù)，熱層和電離層中的密度、溫度和速度等流體參數(shù)。
空間天氣的研究對象是地球表面20公里以上的空間領(lǐng)域，而這正是大部分的航天、衛(wèi)星、通信、導(dǎo)航活動(dòng)發(fā)生或依賴的空間領(lǐng)域。因此，災(zāi)害性的空間天氣會(huì)對其產(chǎn)生直接的影響。
據(jù)介紹，對于航天設(shè)備來說，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(shù)據(jù)錯(cuò)誤、電路功能混亂或計(jì)算機(jī)整機(jī)癱瘓，引發(fā)機(jī)器的異?；蚬收希踔翆⑵鋸氐状輾?。
“而能量相對低一些的高能粒子，則可以在航天器內(nèi)部的電路板、導(dǎo)線等位置產(chǎn)生電荷堆積，阻礙航天器的正常工作。”黃聰表示，在航天器發(fā)射和運(yùn)行期間，對空間天氣要素進(jìn)行連續(xù)監(jiān)測和預(yù)報(bào)，對可能發(fā)生的災(zāi)害性空間天氣事件作出預(yù)警，可以保障航天器的安全。
空間天氣預(yù)報(bào)準(zhǔn)確度如何
邁入了數(shù)值化時(shí)代，但“剛剛踏進(jìn)門檻”
“空間天氣變化的主要源頭是太陽，‘太陽大氣’劇烈的爆發(fā)現(xiàn)象會(huì)對空間天氣產(chǎn)生顯著影響，比如太陽耀斑、日冕物質(zhì)拋射、太陽質(zhì)子事件等。”據(jù)國家空間天氣監(jiān)測預(yù)警中心高級工程師宋喬介紹，耀斑是太陽表面上小塊區(qū)域突然增亮的現(xiàn)象，耀斑的輻射增強(qiáng)通常遍及整個(gè)電磁波譜，其中極紫外、X射線等高能波段的輻射對地球電離層的影響尤為顯著。
“太陽的最外層大氣叫作日冕，正如其名字所暗示的，日冕物質(zhì)拋射會(huì)將大量的磁化等離子體拋向太空，如果擊中地球，可能會(huì)產(chǎn)生地磁暴。而太陽質(zhì)子事件發(fā)生的時(shí)候，來自太陽的高能粒子數(shù)量會(huì)迅猛增長，這些能量很高的粒子會(huì)對空間站和航天員造成威脅。”宋喬說。
不過對此，我們早有準(zhǔn)備。去年發(fā)射的風(fēng)云三號(hào)E星就攜帶著我國第一臺(tái)空間太陽望遠(yuǎn)鏡——可實(shí)現(xiàn)對太陽日冕活動(dòng)的觀測，有效增強(qiáng)了空間天氣的監(jiān)測能力，為更準(zhǔn)確的空間天氣預(yù)報(bào)提供數(shù)據(jù)支撐。
目前，國家空間天氣監(jiān)測預(yù)警中心基本實(shí)現(xiàn)了日地因果鏈上“全過程”的自主觀測，可為航天器發(fā)射及在軌運(yùn)行提供空間天氣預(yù)報(bào)及影響評估服務(wù)，為載人航天任務(wù)提供出艙時(shí)間窗預(yù)報(bào)，避免航天員遭遇嚴(yán)重的太陽高能粒子輻射，為航天員提供更高的出艙安全系數(shù)。如2008年神舟七號(hào)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(dāng)時(shí)，國家衛(wèi)星氣象中心就結(jié)合空間天氣環(huán)境準(zhǔn)確預(yù)報(bào)了出艙窗口時(shí)間。
我們的空間天氣預(yù)報(bào)是如何做出來的？
宋喬介紹，空間天氣預(yù)報(bào)員會(huì)收集最新的觀測數(shù)據(jù)，包括各個(gè)波段的太陽圖像、太陽X射線流量、太陽磁場、地磁指數(shù)、電離層狀態(tài)等，對這些數(shù)據(jù)進(jìn)行綜合分析，然后結(jié)合觀測數(shù)據(jù)、數(shù)值模擬等做出預(yù)報(bào)，與首席預(yù)報(bào)員進(jìn)行會(huì)商，從而得出空間天氣預(yù)報(bào)結(jié)論，并制作各種預(yù)報(bào)產(chǎn)品。
“空間天氣預(yù)報(bào)產(chǎn)品種類很多，包括日報(bào)、周報(bào)、月報(bào)、年報(bào)等。”宋喬說，空間天氣日報(bào)總結(jié)過去24小時(shí)的空間天氣情況，并預(yù)報(bào)未來1-3天的空間天氣狀態(tài)，包括太陽活動(dòng)水平、地磁活動(dòng)水平以及電離層狀態(tài)等；空間天氣周報(bào)則是總結(jié)最近7天的空間天氣態(tài)勢，預(yù)報(bào)未來7天空間天氣趨勢。“當(dāng)有大耀斑、地磁暴等重要的空間天氣事件發(fā)生時(shí)，還會(huì)發(fā)布空間天氣預(yù)報(bào)，讓普通人也可以了解到最新的空間天氣狀態(tài)。”
如今，空間天氣預(yù)報(bào)也邁入了數(shù)值化時(shí)代。“以觀測數(shù)據(jù)和科學(xué)理論為基礎(chǔ)，通過太陽表面物理參數(shù)預(yù)測耀斑發(fā)生的概率、通過數(shù)值模型計(jì)算太陽風(fēng)參數(shù)等方法正在不斷發(fā)展。”宋喬表示，隨著各國探測飛船和衛(wèi)星的發(fā)射，新的觀測數(shù)據(jù)源源不斷，空間天氣預(yù)報(bào)水平將穩(wěn)步提高。
“太陽活動(dòng)有一個(gè)很有意思的現(xiàn)象，就是大概每11年一個(gè)周期，有太陽活動(dòng)高年，也有太陽活動(dòng)低年。當(dāng)然，這也只能說是一個(gè)趨勢，并不絕對。而且太陽生命久遠(yuǎn)，我們基于有限的觀測總結(jié)出了11年的周期，但隨著未來的繼續(xù)觀測，發(fā)現(xiàn)的周期規(guī)律也可能會(huì)改變。”在國家空間天氣監(jiān)測預(yù)警中心空間天氣預(yù)報(bào)臺(tái)副臺(tái)長郭建廣看來，空間天氣預(yù)報(bào)“剛剛踏進(jìn)門檻”。
（本報(bào)記者 崔興毅）
標(biāo)簽： 空間天氣預(yù)報(bào) 空間天氣 天氣預(yù)報(bào)
