太空中的“天气”也能早知道

文／唐云秋 杜 丹 薛炳森

太空旅游、火星探测、小行星采矿、月球基地建立，这些过去只能在科幻小说中看到的情节，由于空间天气预报水平稳步提高正逐步变成现实——

出门时看一眼手机上的天气预报，已成为很多人的习惯，尤其是准备去外地出差、旅游时，会更加关心目的地的天气情况；类似地，当货运飞船和人造卫星要发射到几百千米至几万千米高的近地空间中，航天员需要出舱进入接近真空的太空环境里，自然也会想要了解那里的空间天气状态，而空间天气预报就成了新的关注点。

那么，太空中的“天气”是什么样？何为空间天气？它是怎么预报的？全国科技活动周轮值主场上，“揭秘空间天气”主题科普活动为您解惑答疑。

什么是空间天气？太阳爆发所致

“周昭王末年，夜清，五色光贯紫薇，其王南巡不返”。

这是出现在距今约三千年前的战国时期，魏国人完成的编年体史书——《竹书纪年》中的一段话。其中的“五色光”，就是大家所熟知的极光现象。

如同是一位信使，极光不仅带来远在1.5亿公里之外太阳的“问候”，它还“透露”了宇宙中流传已久的秘密——空间天气。

在地球与太阳系唯一的恒星太阳之间，我们能够看到与感觉到的阳光，其实只是穿梭在其中的一小部分，大量如伽马、X射线这种日常难以接触、能量更高的光线才是常客。

除此之外，还有一刻不停，“吹拂”到太阳系每一个角落的太阳风，它们构成了行星际空间的物质主体，其主要由带电粒子组成，这些微粒速度很快，以每秒几百千米的速度突破太阳的引力束缚，进入宇宙空间。而靠近地球的这一边，在太阳光线的照射与太阳风的联合作用下，能量以多种形式改变着地球的空间环境，从距离地面数万公里甚至更高的位置区域向内，形成地球磁场、电离层、热层的立体结构。一边是不停提升强化等级向外输出的太阳，另一边是摆出“层层阵线”护住基地的地球，两者之间形成了宇宙空间中的巧妙“默契”与动态“平衡”。

但是太阳并非一成不变，工作模式一般分为平静与爆发两大类，平静时的太阳所释放出的太阳风速度低、变化慢，物质密度也相对较低，并且没有明显的爆发活动。一旦太阳转入爆发模式，太阳风就会发生明显变化，速度升高、密度增大，甚至就连温度也会出现跳跃式的升高，耀斑和日冕物质抛射这两个“大招”也会随时放出，就连冷却时间也会大幅度缩短，甚至开启“狂暴模式”，多种爆发活动同时甚至是连续地发生。

而上述这些变化，会对人造卫星和空间站、通讯与能源系统，以及人类健康带来严重影响和危害，我们将太阳爆发活动及其所引发的空间环境变化称为空间天气。

空间天气怎么监测？不同“对象”手段多样

如同地球天气中的风霜雨雪等气象要素一样，空间环境中也存在着可以探测的环境参数，只不过换成了粒子、磁场、电磁波等参量。

如何去感知这些空间环境要素？这就要进行空间天气监测。

与地面天气监测系统相比，空间天气监测具有一些显著不同的特点。首先，空间范围大。从监测距地面20-30公里高度的中高层大气往上直至太阳表面的活动区。

其次，物理对象复杂。既要监测中高层大气中的温度、密度、速度等流体力学参数，也要监测电离层、磁层和行星际以及太阳表面的粒子、场和温度等离子体参数。

最后，时空尺度变化范围大。既要监测电离层中局地分布的数分钟和数公里范围内不均匀结构的时空变化，又要关注从太阳表面到地球磁层顶整个日地系统，超过1.5亿公里范围内的空间天气因果链上，关键区域的空间天气参数的整体分布和变化。

另外，空间天气监测的手段形式多样。其中，对于电磁波，可使用光学遥感和无线电手段来观察；对于磁场，采用磁通门或磁阻技术；对于粒子，可以用半导体或静电分析仪。

一次完整的空间天气事件，一般具有从太阳表面形成与发生，然后在行星际空间传播和演化，最后在地球电离层和中高层大气中产生影响和效应的规律。

因此，从空间天气业务需求来说，需要对从太阳—行星际—磁层空间—电离层和中高层大气，这一空间天气事件因果链上的重要区域进行必要的监测。

如今，经过近20年的努力，我国国家级空间天气业务单位——中国气象局国家空间天气监测预警中心，基本建设形成“天地一体化”的空间天气监测格局，实现了日地因果链上“全过程”的自主观测。

空间天气如何预报？由看云识天到数值化时代

空间天气的主要源头是太阳，而太阳大气中又充满了五花八门的活动现象，比如太阳耀斑、日冕物质抛射、太阳质子事件等，这些剧烈的爆发现象会对空间天气产生显著影响。

空间天气预报的作用就是预测预报空间天气事件及其影响。早期的空间天气预报主要关注太阳黑子的外观变化，比如黑子个数的增减，黑子形态的改变等，有点像过去的看云识天气，通过云朵的形态和数量预测天气变化。现在，以观测数据和科学理论为基础，通过太阳表面物理参数预测耀斑发生的概率、通过数值模型计算太阳风参数等方法正在不断发展，空间天气预报开始迈入数值化时代。

那么，空间天气预报是如何做出来的呢？

首先，收集最新观测数据。包括各个波段的太阳图像、太阳X射线流量、太阳磁场、地磁指数、电离层状态等数据进行综合分析，然后结合观测数据、数值模拟等做出预报，与首席预报员进行会商，得出空间天气预报结论。

其次，制作各种预报产品。空间天气预报产品种类很多，包括日报、周报、月报、年报等。空间天气日报总结过去24小时的空间天气情况，并预报未来1—3天的空间天气状态，包括太阳活动水平、地磁活动水平以及电离层状态等。空间天气周报则是总结最近7天的空间天气态势，预报未来7天空间天气趋势。当有大耀斑、地磁暴等重要的空间天气事件发生时，还会发布空间天气现报等产品。

最后，对外公开发布。会通过网站、传真、APP、短信、微博、微信公众号等多种方式，发布空间天气预报，让大家可以了解到最新的空间天气状态。

当下，随着各国探测飞船和卫星的发射，新的观测数据源源不断，空间天气预报水平也将稳步提高。太空旅游、火星探测、小行星采矿、月球基地，这些过去只能在科幻小说中看到的情节正逐步变成现实，我们相信，未来会有更多的人想要了解空间天气、关注空间天气预报。