空间天气如何影响人类

文/ 李会超

3月29日，美国白宫发布新闻稿，公布新一版的《国家空间天气战略与行动计划》，并称将以此为指导，进一步加强美国应对空间天气事件的能力。

在奥巴马执政期间，美国曾经制定过《国家空间天气战略》和《国家空间天气行动计划》。2016年，即将卸任的奥巴马总统还签署了题为《协调努力为国家做好空间天气事件的准备》的总统行政命令，进一步强化美国联邦政府应对空间天气事件的目标和措施，以及各政府部门与机构的具体职责。

空间天气由太阳活动控制，太阳爆发产生的电磁波、高能粒子和高速等离子体经过行星际空间的传播到达地球，在地球磁层、电离层和中高层大气中诱发一系列剧烈变化，进而使空间天气变得恶劣。实际上，随着航天活动增多及其相关应用的推广普及，空间天气这种太空中的“阴晴雨雪”，对人类社会的正常运作产生的影响正与日俱增。同时，空间天气还能对电网造成破坏性影响，从而对社会运行所依赖的基础设施产生致命性的影响。

▲ 美国《国家空间天气战略与行动计划》封面

航天器的隐形杀手

1991年5月，上天仅半年的我国风云一号B卫星忽然开始失控翻转，在控制人员发现并采取措施时，卫星上的推进剂早已喷完，设计寿命为1年的卫星仅过了半年便不得不提前报废。而2003年10月至11月期间，日本的对地观测卫星ADEOS-2与地面失联后报废，远在火星的火星奥德赛号探测器上的一个科学载荷也意外停止工作，无法恢复，不少其他卫星也纷纷退出正常工作状态，转入安全模式避险。而造成这一切的，则是太阳高能粒子和地球附近的热等离子体。在空间天气状况恶劣的情况下，他们的出现将会非常频繁，对航天器安全产生威胁。

太阳高能粒子的来源主要有两个，一个是太阳上爆发的耀斑，这种太阳表面能量快速释放的现象所产生的高能粒子，往往只需要几十分钟就可以到达地球，而轰击地球的持续时间从几小时到几天不等。另一个则是太阳上喷发的高速等离子体团，空间天气学家们将其称为“日冕物质抛射”。在日冕物质抛射向地球传播的过程中，会推动挤压行星际空间中阻挡它前进的等离子体，产生与它一起向前传播的行星际激波。行星际激波为高能粒子的产生提供了加速器，当行星际激波到达地球后，就会引起地球附近的高能粒子通量增强。同时，日冕物质抛射能够诱发地磁暴，将热等离子体注入到地球磁层系统当中。

对于航天器上的微电子元器件来说，最为惧怕的是高能粒子中能量更高的那一部分。这些高能粒子能够穿透电子元件，造成数据错误、电路功能混乱或计算机整机瘫痪，引发卫星的异常或故障，甚至将卫星彻底摧毁。而能量相对低一些的高能粒子，则可以在航天器内部的电路板、导线等位置产生电荷堆积，阻碍航天器的正常工作。虽然热等离子体的单个粒子能量不及高能粒子，无法侵入航天器内部，但它们在航天器表面的堆积同样会引发表面充放电效应，干扰航天器正常运行甚至造成损伤。

▲ 一次太阳耀斑事件

对于在太空中工作的航天员，高能粒子也是他们生命健康的严重威胁。如果耀斑和日冕物质抛射等太阳风暴影响地球期间，航天员不按照当时的高能粒子通量水平采取审慎的防护措施，他们就有可能受到剂量超标的辐射。2003年10月～11月连续太阳风暴爆发期间，国际空间站的航天员们就转移到了防护性能更好的舱段中躲避危险。

空间站提前坠落的元凶

地球大气的密度随着高度的增加而迅速减小，在LEO轨道几百公里的高度上已经相当稀薄。然而，对于高速运动的航天器来说，这里的大气阻力仍然是不可忽视的。如果不主动使用发动机进行轨道维持，航天器的轨道就会不断衰减，轨道高度越来越低，最终陨落。太阳耀斑产生的电磁辐射，和日冕物质抛射诱发的地磁暴对中高层大气的加热，都会使LEO轨道上的大气密度比正常情况下有所增加，航天器在此影响下必须进行额外的轨道维持，否则就可能遭遇不测。

美国“天空实验室”提前坠落就是这一效应最典型的案例。天空实验室是美国的第一代空间实验室。按照美国宇航局（NASA）的计划，这个1973年发射的空间站本应该工作到上世纪八十年代，与航天飞机一同开展空间试验。然而，NASA在七十年代中期对太阳活动的预报出现了偏差，又对美国国家海洋和大气管理局（NOAA）等与它平行的政府部门的警告充耳不闻。在阿波罗飞船最后一次造访天空实验室时，没有对天空实验室进行足够的轨道维持。在愈发频繁的太阳风暴吹袭下，地磁暴不断发生，天空实验室轨道上的高层大气密度增大使得其轨道失控式的衰减。同时，美国的载人航天器正处在青黄不接的当口：航天飞机的研发测试尚未完成，而阿波罗飞船已经退役，美国无法发射飞船救援天空实验室，使得其最终在1979年提前陨落。

▲ 天空实验室

此外，空间天气产生的影响，还会使得中高层大气的密度变得更加难以预测。对于交会对接这类需要进行轨道精准控制的操作，在大气密度的实际值与预测值偏差较大的情况下，飞行器的实际飞行轨迹与预测的轨道就可能出现较大偏差，需要耗费更长的时间来不断修正轨道，才能完成对接。

卫星定位与无线电通信的干扰源

在距离地面60～1000公里的区域中，存在着由带电粒子组成的电离层。无线电信号能否穿过电离层、穿过电离层时信号参数发生的变化，都与电离层的性质有关。例如，短波信号能够跨越大洲传播，利用的就是电离层对这个频段无线电信号的反射；而地面与卫星通信时，则必须使用能够穿透电离层的高频信号。电离层性质，主要受到太阳活动的影响。一旦有耀斑发生，电离层的性质在耀斑发生的同时就会马上产生变化，而日冕物质抛射吹袭地球时，引起的地磁暴同样会诱发电离层性质的变化。

地面设备在接收北斗、GPS等卫星定位系统所发射的定位信号，并由此推算位置信息时，已经考虑了电离层在一般情况下的性质。而一旦电离层的性质由于空间天气原因发生变化，定位信号的实际变化情况就会和设备中预置情况产生差异，定位设备的定位精度就会因此下降。对于日常生活中的手机定位，由于定位精度的要求不高且能够借助手机基台的位置进行较差定位，因此不会明显的感受到空间天气的影响。然而，对于定向钻井等野外高精度作业和借助GPS实现的新一代航空导航与仪表降落系统来说，电离层变化因此的定位精度降低足以干扰他们的正常工作。

2001年，搜救中美撞机事件的我方部队的无线电通信忽然中断两个小时，给搜救工作造成了一定影响。后经专家分析，造成这一问题的原因就是电离层因太阳风暴而发生的变化。虽然远距离无线电传输在一般人的日常生活中已经很难接触到，但在军事和一些其他专业领域中，这种受电离层影响的通信方式仍然是不可替代的。对于应用远距离无线电通信的部门来说，空间天气状况是他们必须关心的信息。

摧毁高压电网的幕后黑手

在越南战争中，美军曾经施放了大量水雷，用以封锁越南的港口。1967年的一天，部署在越南防城港附近海域中的四十颗美军水雷，忽然在没有船只经过的情况下发生自爆，爆炸产生的连环效应最终引爆了4000多颗水雷。

▲ 使用各个波段对一次日冕物质抛射的联合观测

这些水雷的爆炸并不是越南特工的“杰作”，而是源于日冕物质抛射引发的地球磁场变化。日冕物质抛射中裹挟的太阳磁场，在方向合适时能够“剪断”地球磁场的磁力线，将等离子体注入到地球磁场系统中，并将地球磁场的磁力线由朝向太阳的一侧拉扯到背向太阳的一侧。在这个过程中，整个地球磁场都会发生剧烈的变化，空间天气学家们将这种现象称为“地磁暴”。美军的水雷利用船只经过时引起的磁场变化探测敌方船只，一旦磁场变化的速度超过某一阈值便会将自身引爆。然而，当地磁暴发生时，水雷将地磁暴引起的磁场变化误认为是船只经过的磁场变化，因而引爆。

地磁暴对当代社会更大的威胁，在于其可能对电网产生的破坏。地磁暴引起的磁场的剧烈变化会在长距离高压输电线中产生强烈地磁感应电流，引起电网供电不稳或彻底崩溃。1989年3月的地磁暴使得加拿大魁北克地区的电网瘫痪，数百万人在寒冷中度过了没有电能供应的夜晚。如果更加强烈的太阳风暴来袭，烧毁电网大型核心变压器，电网将就会发生长时间的瘫痪。这是因为这些大型核心变压器多为特别定制产品，没有现成的货架备份可供替换，一旦损坏，短时间内无法找到备件替换。电能是现代社会运作的基本条件，一旦失去供电，整个社会的运转便会陷入停滞。据风险评估研究得出的结论，一次超强太阳风暴引起的大停电，将会给北美地区带来数万亿美元的巨大损失。

▲ 极光是太阳风暴给地球的馈赠，然而强烈的极光活动也意味着电网风险的增加

▲ 魁北克大停电事故中被烧毁的变压器

虽然特朗普上台后对奥巴马任职期间的政策多采取消极态度，但在空间天气这一问题上却延续了奥巴马政府所形成的既定方针。在3月29日白宫发布的新闻稿中称，特朗普总统为重振美国在太空中的领导地位“采取了果断行动”，发布的新版的《国家空间天气战略与行动计划》是实现特朗普目标的举措之一。在这份计划中，美国国家科技委员会提出了“空间天气有备国家”（space weather-ready nation）的概念，为现阶段国家层面应对空间天气的行动指明了三个重点方向：一是要针对国家安全、国土安全（即美国本土安全）和商业设施与运作中容易受空间天气影响的部分，加强其自身的防护能力；二是发展及时而准确的空间天气监测与预报能力，为全社会应对空间天气事件提供关键信息与指导；三是制定空间天气事件后的灾后恢复方案，使遭受不可抗的空间天气灾害后，相关部门能够按照预先研究论证过的预案和行动步骤，有条不紊的应对灾害造成的损害。如果该计划中提出的方案都能实施落地的话，美国有望在该领域继续保持其先进地位。