空间自然灾害需要防范

文/ 王文梅 宁艳

太阳风暴

随着新一轮太阳活动周期的开始，空间环境可能对人类的航天活动产生诸多不确定影响，以致形成空间自然灾害。空间自然灾害，主要是指由宇宙环境不稳定如太空灾害天气、太空物体陨落、太阳磁场有害波动等引发的危险性行为和灾难性后果。人类航天活动需要防范太空自然灾害的影响。

喜怒无常的空间天气

空间天气的概念是美国在上个世纪90年代首先提出来的，可理解为由太阳活动释放的电磁辐射和粒子发射在日地空间的传递和转化过程。其中，从地表20 ～30 公里以上到太阳外层大气的空间区域称作为日地空间，其主要覆盖中高层大气、电离层、磁层、行星际和太阳大气等。太阳活动相对稳定时可称作“好天气”；当太阳活动相对频繁，甚至会引发无线电通信、卫星导航以及电力等系统故障或崩溃时，将称作为“坏天气”。但与风、云、雨、雪等对流层天气不同，灾害性空间天气的出现频率不高，主要由太阳活动造成。

太阳是一个温度高达百万度的炽热气体（准确讲是等离子体）球，无时不在“翻江倒海”，特别是在与太阳黑子相关的“风暴”区（专业上称为太阳活动区），往往以“爆发性”方式向外释放电磁辐射或高能粒子，这就是最近常见诸媒体的“太阳风暴”。

太阳风暴（Solar Storm）是由于太阳的剧烈爆发活动，进而引发的强烈扰动。太阳爆发活动指太阳大气中发生的持续时间短暂、规模巨大的能量释放现象，主要通过增强的电磁辐射、高能带电粒子流和等离子体云等三种形式释放。随着太阳爆发的愈演愈烈，其喷射的物质与能量抵达近地空间后，将会引发一系列地球空间环境的强烈扰动，进而影响人类活动。

在强太阳风暴爆发期间，通常多次出现太阳耀斑和日冕物质抛射情况的发生。前者将释放高能电磁辐射，通过光速传播，大约8 分钟左右就能抵达地球，后者将释放亚光速高能粒子流，快则几十分钟，慢则1 ～3 天左右抵达地球附近。

自伽利略发明望远镜以来，人类对太阳活动的监测大约已有400年的历史。随着科学技术的发展，天基太阳观测能力显著提升。例如，美国宇航局和欧空局联合发射的太阳与太阳风探测器（SOHO），可对太阳黑子活动、太阳风以及太阳内部结构变化进行实时监控。近日，欧空局又发布消息，将启动拉格朗日计划，打算在从未尝试过的拉格朗日L5 点开展太阳监测活动，并预计在2025年左右建立相关预警机制。该计划将重点围绕太阳风暴开展，有效预测太阳风暴爆发周期，最大程度降低给地球带来的负面影响。

太阳风暴对航天器影响

学术界通常利用太阳黑子相对数来表征太阳活动长期水平的高低，并以1755年太阳黑子数最少时作为第一个太阳活动周。在太阳活动中，其周期变化有时长达11年之久，但也有时短至几分钟的爆发。目前，太阳活动已进入第24 个活动周期的末期，预计2020年1月前后将开始第25 个活动周期，并将于2031年6月前后结束。在此期间，太阳活动水平较低，太阳风速也将处于较低水平，因此近期太阳活动相对平稳。

太阳风暴给人类活动带来严重影响

太阳风暴对人类生活造成的威胁与危害是多方面的。历史上著名的“魁北克事件”是其中的一个例子。1989年正值第22 个太阳活动周期的黑子数高峰年，仅在一个月内，太阳风暴就先后产生了约107 次太阳X 射线耀斑，其日冕物质的抛射也高达数十次。太阳风暴的“席卷”，造成多起重大电力系统故障，加拿大魁北克省的大部分地区停电长达9 小时以上，600 万居民生活受到严重影响。强烈太阳耀斑引起过39 次强烈短波通讯突然骚扰，其中15次通讯部分中断，24 次全部中断。

欧空局（ESA）拉格朗日计划L5 观测点

太阳风暴产生的大磁暴还引起过多起航天器运行故障。累计曾有46 例卫星出现异常的记录。例如，大磁暴引发美国国家气象卫星的信号中断，同时也导致某系列导航卫星长时间不能正常运作，迫使军事系统跟踪的几千个空中目标需重新定位。

据不完全统计，类似“魁北克事件”的灾害性空间天气事件每个太阳活动周期平均会出现几起至十几起。再如第23 个太阳活动周期中发生的“万圣节事件”（因正值西方的万圣节而得名），造成全球短波通讯中断，民航通讯出现故障；美国宇航局的火星探测卫星奥德赛飞船上的观测设备被粒子辐射彻底毁坏；我国北京、满洲里等地区无线电观测点短波信号也曾因此一度中断。

随着现代航天技术的迅猛发展，基于太空平台的装备系统和信息系统在太空活动中的应用愈加广泛。随之而来的是空间天气对太空活动的影响范围不断扩大，影响程度也不断加深。太阳风暴对以下几个方面具有重要影响：

对航天活动产生影响。太阳风暴喷发出的高能带电粒子可持续撞击航天器表面，并造成航天器的辐射损伤。同时，大量的高能电子也会穿过电子器件，严重影响仪器发出的指令与数据图像。据分析，当飞船在深空航行或航天员在舱外作业时，大约有十分之一的概率将受到致命剂量的高能带电粒子辐射，由此可见其对航天活动产生的危害性。

对通信、预警、导航定位等产生影响。随着太阳风暴的爆发，短波无线电通信和预警雷达的可用频带会因电离层突然骚扰而变窄，卫星微波通信也会因电离层闪烁而降低通信质量，甚至信号中断；GPS 卫星导航、定位误差会因电离层暴而增至数十米到数百米。

肆虐无情的太阳风暴

太阳风暴吹拂地球磁场形成的磁层

魁北克大停电事故中被烧毁的变压器

对在轨航天器运行产生影响。太阳风暴导致高层大气密度发生剧烈扰动，航天器飞行的实际轨道将严重偏离预测轨道，以至地面跟踪站会“丢失”跟踪目标。

积极防范，有效化解“太阳危机”

只要采取措施积极防范，空间天气造成的危害是可以避免的。

监测预报。加强太空灾害天气的监测预报，发展监测预报手段，建立灾害天气预报机制。比如在日地拉格郎日点建立空间天气检测站点，在低轨和高轨分别开展长期太空环境监测，建立地面监测和管理机构，形成太空灾害天气的监测预报体系，形成监测预报机制。

机理研究。根据太空灾害监测数据，开展天气环境研究，提高对空间天气的认识水平；开展灾害天气对太空活动的影响研究，研究太空环境对航天器的影响机理；开展空间天气对大气密度、地球磁场等地球环境的影响机理研究。

重视防护。在现有认识水平的基础上，综合考虑技术难度和成本代价，研究太空安全装备对灾害天气的规避措施，适度提高太空安全装备的防护能力。

技术创新。开展太空灾害天气应对和防范技术创新，探索激光通信等新型空间通信手段，降低灾害天气对天基通信的影响。