太空时代新天气预报

方陵生

“拉格朗日”航天器将从侧面监测太阳，以更早发现向地球方向而来的日冕物质抛射

太阳是恒星家族中一个脾气暴躁的“中年大叔”，动不动就会释放出大量的能量。自2019年12月以来，太阳进入了周期性活动的活跃阶段，越来越强烈的能量脉冲向各个方向迸射，其中一些带电粒子会朝着地球的方向飞来。如果没有一个好的预测方法，那么直面太阳风暴袭击的地球是很脆弱的。

最近一次险些击中地球的太阳风暴发生在2012年夏季。那场具有潜在巨大破坏力的太阳风暴，穿越近1.5亿千米的距离，以900多万千米/时的速度朝地球方向袭来。如果它发生在一周前，那么很有可能就会击中地球。科学家们是在它撞上了美国宇航局专门用来观测太空天气的一颗卫星后才发现了它。

2012年夏季的那场太阳风暴，是自1859年以来研究人员观测到的最强烈的太阳风暴。而发生在当年9月的一场强大的太阳风暴袭击北半球时，地球就没那么幸运了，位于欧洲和北美境内的许多电报系统相继出现了故障，这一事件被称为“卡林顿事件”。此次太阳风暴事件之所以以英国天文学家理查德·卡林顿的名字命名，是因为他目睹了天空中强烈明亮的光点，并记录下了他所看到的一切。

如今，地球上会受太阳风暴影响的已不仅仅是电报系统，卡林顿级的太阳风暴事件将摧毁卫星，扰乱GPS定位系统、移动电话网络和互联网连接。此外，银行系统、航空系统、铁路系统和交通信号系统也将受到冲击，受损的电网需要数月或更长时间才能修复。特别在时下新冠肺炎疫情防控期间，许多人依靠远程通信系统工作和学习，这样的事件所造成的广泛的社会影响，也许是人们难以估量的。

对此，美国密歇根大学大气和空间科学家亚伦·雷德利认为：“我们了解太阳风暴是如何形成的，但是不能准确地预测它们。”亚伦·雷德利希望，如科学家们知道如何绘制龙卷风和飓风可能经过的路径一样，也能预测太阳风暴可能经过的路径。

目前，比较理想的方案是在太阳风暴登陆地球或导致卫星系统瘫痪之前，甚至在太阳向地球方向发射带电粒子之前，就能收到太阳风暴袭来的警报。有了这种太空天气预报预警，各国政府就可以有充足的时间提前关闭电网，或让卫星远离危险的区域。

2012年7月爆发的太阳活动引发的巨大的日冕物质抛射与地球擦肩而过

近期，亚伦·雷德利参与了其中一项相关的合作研究项目，该项目旨在模拟太阳风暴，帮助科学家快速准确地预测太阳风暴的走向、强度，以及可能影响地球上重要卫星和电网的时间。

当科学家谈论太空天气时，通常指的是两件事：一是太阳风，即持续不断从太阳流出的高能带电粒子流;二是日冕物质大爆发，也就是从太阳外层大量抛射出的带电粒子或等离子体。其中，日冕物质抛射（简称CMEs），是最具威胁性的太阳风暴。太空中的其他一些现象，如被称为“宇宙射线”的高能粒子，也是空间气象的现象之一，但它们一般不会引起太多关注。

几个世纪以来，天文学家一直在对每日东升西落的太阳进行观察。17世纪，伽利略是最早发现太阳黑子活动的科学家之一。太阳黑子是太阳表面稍冷并具有强磁场的区域，太阳黑子增多通常是强烈太阳活动的先兆。伽利略之后的天文学家注意到，太阳黑子活动经常产生被称为“太阳耀斑”的辐射爆发，将大量日冕物质发射到太空。

19世纪，德国天文学家塞缪尔·海因里希·施瓦布发现，太阳活动周期为11年。最近一次太阳活动周期于2019年12月结束，目前，太阳活动正从最低点走向第25周期的最大值（天文学家对太阳活动周期进行了编号）。太阳风暴，特别是危险的日冕物质抛射，正变得越来越频繁和强烈，预测在2024年至2026年将达到顶峰。

一般来说，太阳活动周期最活跃的阶段，也是日冕物质抛射最强烈的阶段，但也有很多不确定的变化。例如，1859年的日冕物质抛射是在太阳活动周期一个相对平稳的阶段。如果日冕物质抛射直奔地球而来，那么最先抵达地球的是电磁辐射，只需8分钟即可到达。日冕物质抛射通常会产生一种冲击波，将质子加速到极致速度，使其在20分钟内到达地球。这种高能粒子对地球有很大危害，会给高轨道卫星的电子设备或太阳能电池造成破坏，还可能伤害在地球磁场保护范围之外的宇航员，例如在月球上执行任务的宇航员。但处于国际空间站上的宇航员大概率是安全的，因为他们仍处于地球磁场的保护范围之内。

2013年，一团明亮的带电粒子云从太阳中喷射而出

日冕物质抛射的最大威胁是等离子体云，其范围巨大，可达几百万千米，通常需要一到三天的时间才能到达地球，取决于太阳将其推向地球的速度。地球磁场是抵御不利太空气象和太空辐射的第一道防线，但也仅此而已。卫星和地面观测数据表明，日冕物质抛射的带电粒子会与地球磁场相互作用并扭曲磁场。这些相互作用可能产生两个重要的影响：一是在地球高层大气中产生更强烈的电流;二是将这些更强的电流从两极转移到人口更多、基础设施更集中的地方。一场强大的太阳风暴会将卫星和地球上的电网置于极度危险之中。

太阳风暴冲击将导致远程无线电信号或电信信号中断，强大的太阳风暴还会干扰航行中的飞机，导致飞行员与空中交通管制员失去联系。这些影响都是暂时性的，通常持续一天，但对电网的影响可能会更严重。一次巨大的日冕物质抛射可能会导致地球上通过电网线的电流从通常的几安培增至数千安培，而无法承受突然增大的电流的变压器可能会因此而熔化或爆炸。1989年3月13日的日冕物質抛射，导致加拿大魁北克省全境停电达9个多小时，近700万人的工作和生活受到影响。如果太空气象部门能及时发出预警，电网运营商就可以及时采取措施减少损失，如降低通过线路电流的功率，减少电网的互联，并在需要的地方设置备用发电机等。

空间气象学家根据太阳活动对地球磁场的扰动程度，将太阳风暴分为五级。与预测热带风暴不同的是，现有的卫星无法精确预测太阳风暴的到来。各国气象部门可以获得不断更新的地球风暴数据，但是关于太阳风暴可供利用的数据还是太少。

空间天气预测的重大挑战之一，是要在日冕物质抛射抵达地球较久之前就能预测到太阳磁场的活动，以便为即将到来的太阳风暴做好充分准备。目前，监测太空气象的两颗卫星分别是美国宇航局的ACE卫星和2015年发射的美国国家海洋和大气管理局（NOAA）的深空气候观测卫星（DSCOVR）。在地球上方150万千米的轨道上运行的这两颗卫星，在太阳风暴即将到来时才能探测到。这意味着只有15到45分钟的预警时间，这更像是“即时报告”，只能提供一个仓促应对的预警。此外，这两颗卫星，包括1995年由美国宇航局和欧洲航天局发射的SOHO卫星这样的老旧卫星，只能监测不包括太阳两极在内的有限范围，在观测范围上存在很大局限。

欧洲航天局将利用航天器在"拉格朗日点"L1和L5的位置上对太阳进行监测

ACE卫星（1997年发射）

DSCOVR卫星（2015年发射）

SOHO卫星（1995年发射）

为了更好地估计日冕物质抛射爆发的时间和强度，美国国家海洋和大气管理局的科学家们计划于2025年初发射一颗配备了日冕仪的空间气象衛星。日冕仪是用于研究太阳大气最外层日冕的一种仪器，可阻挡影响观察视线的大部分太阳光线。

2027年，欧洲航天局将启动第一次太空气象任务，将“拉格朗日”航天器发射到地球环绕太阳运行的轨道上。“拉格朗日”航天器将比其他航天器早几天监测到太阳活动的耀斑区域，也能更快确定太阳风暴的速度和方向，以便科学家做出更精确的预测。

美国科罗拉多大学博尔德研究和教育中心空间气象技术执行主任、物理学家托马斯·伯杰等研究人员对地球上层大气进行模拟和建模。新数据和新模型可能不会在即将到来的太阳活动周期及时上线，但应该能在21世纪30年代的第26次太阳活动周期内准备就绪。到那时，科学家们也许能够提前发出警报，以便预留出更多的时间做好应对措施，避免最糟糕的情况发生。