空间天气知多少

忠东

你知道吗，除了地面上有阴晴雨雪的天气变化，远在“九霄之外”接近真空的宇宙空间其实也有天气存在。空间天气描述的就是太阳爆发活动及其引发的空间环境变化。

我们在地球上看到的阳光，其实只是穿梭在地球和太阳之间的一小部分，像伽马射线和X射线这种能量更高的光线才是其中常客，还有一刻不停吹拂到太阳系每个角落的太阳风，构成了行星际空间的物质主体。它们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。

空间天气变化的主要源头是太阳，“太阳大气”剧烈爆发的现象会对空间天气产生显著影响，比如太阳耀斑和日冕物质抛射等。太阳是一个炽热的物体，它体积巨大、密度高，磁场和引力强大。太阳的重力抑制了它膨胀的趋势，在重力和膨胀之间达到了平衡。这些不同的力引发了太阳表面的剧烈活动。气流引发太阳磁力线扭转，也会阻止太阳内部高温气体上升到太阳表面產生太阳黑子。

相比之下，太阳黑子比太阳表面的其他部分暗一些，也比周围的温度低一些。磁场阻止热气上升，困在太阳黑子下方的热气也在给磁场施压。这些气流会把磁力线卷缩成紧密的螺旋，但有时压力不断膨胀，被压缩的磁场突然弹开，就会产生太阳耀斑。

太阳耀斑爆发时，太阳表面局部区域大规模能量突然释放，引起局部区域瞬时加热，向外发射各种电磁辐射，并伴随粒子辐射突然增强。太阳耀斑的火焰大到几乎可以吞噬整个地球。一旦爆发，8分钟后X射线等强电磁波就能到达地球，30分钟后抵达的是高能粒子，再过2到3天就是高温带电等离子体。这些被统称为太阳风暴，就相当于外层空间的狂风暴雨。

太阳耀斑不仅仅是热气的爆发，它发射出的光横跨了整个光谱，包括我们看不见的光——X射线和伽马射线。这些射线对人类来说是危险的。幸运的是地球的大气层吸收了大部分高能射线，不过，这并不意味着每个人在太阳耀斑下都绝对安全，例如高海拔地区的人及飞机上的人，就有被暴露在太阳耀斑辐射下的危险。短时间照射可能会引发皮肤红肿，长时间照射则会增大患上皮肤癌的概率，但一般来说受影响的人可以自行康复。电器在高能射线下也很脆弱。如果高能射线击中一颗卫星，射线有能力剥离金属原件中的金属电子。一旦成为自由电子，它们可以使卫星中的电子元件短路。电子还会产生磁场，这对卫星也是有害的。有些卫星拥有抗辐射的防护层，但大部分卫星很脆弱。

日冕物质抛射危害大

空间天气主要监测和研究太阳相关参数。空间环境关注的是粒子、磁场、电磁波等参量。

空间天气监测范围更大，从监测距地面20～30千米高度的中高层大气往上直至太阳表面的活动区；监测对象也复杂，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。

空间天气监测的手段多种多样：使用光学遥感和无线电手段观察电磁波，采用磁通门或磁阻技术感知磁场，用半导体或静电分析仪监测粒子。

太阳是地球天气气候和空间环境变化的驱动源，它的外部结构分三层，从里向外依次是光球层、色球层和日冕层。人们肉眼看到的是光球层，在这一层公众比较熟知的现象有太阳黑子，而最直接影响地球环境的是日冕层。虽然单独的太阳耀斑不足以对地球表面产生什么影响，强大的日冕物质抛射却是另外一回事，可以使地表电子系统产生严重故障。正如其名字所暗示的，日冕物质抛射将大量的磁化等离子体抛向太空，如果击中地球可能会产生地磁暴。而太阳质子事件发生的时候，来自太阳的高能粒子数量迅猛增长，会对空间站和航天员造成威胁。

日冕物质抛射并不会产生强烈的光，而是在太空中形成蔓延数十亿千米的电磁冲击波。若是地球正巧在冲击波的路径上，强大的太阳磁场会重新安排地球的磁场，使其产生不可预测的移动。日冕物质抛射的后果不仅仅是漂亮的极光，磁场波动还会令指南针失效。同时因为磁场可以发电，所有的导体都是诱导物，所以一个强劲的日冕物质抛射可以与大型的导体感应生电，可能使电路过载并引发问题。

日冕层直接影响地球的环境，亟需科学观测。我国2021年7月5日发射的“黎明星”风云三号E星，是全球首颗民用晨昏轨道业务卫星，星上搭载11种有效载荷，填补了全球数值天气预报模式在晨昏时段的卫星资料观测空白。其中太阳X射线和极紫外成像仪是国际上首台具有X射线和极紫外两个波段的太阳成像仪，可实现观测太阳日冕活动，能更准确地预报空间天气。太阳辐照度光谱仪是我国第一台空间对日全能谱高光谱观测仪器，用于监测太阳入射地球的能量微小变化，包含丰富的太阳光谱精细结构，对精密监测地球气候系统能量变化具有重要意义。

2022年6月1日，风云三号E星及其地面应用系统转入业务试运行。该星与风云三号C星和D星实现三星组网，每6小时为数值预报模式提供一次完整覆盖全球的观测资料，有效提高全球数值天气预报的精度和时效。6月15日，风云三号E星在轨业务运行后的首次产品发布，产品包括风场测量雷达海面风场产品、海冰监测产品、夜间灯光产品等十余种。它们的应用有效支撑“全球监测、全球预报、全球服务”，并为服务“一带一路”、进一步增强我国气象卫星的综合观测能力和应用服务能力，推动我国气象事业高质量发展起到积极作用。

我国预报水平居前列

太阳分为平静与爆发两种活动模式。平静时太阳风速度低，变化慢，物质密度相对较低，没有明显的爆发活动。一旦转入爆发模式，太阳风速度加快，密度增大，温度也会出现跳跃式升高，出现耀斑和日冕物质抛射，冷却时间大幅度缩短，甚至开启“狂暴模式”，多种爆发活动同时甚至连续发生。对应两种太阳活动模式，地球磁层、电离层和热层在内的空间环境也会随之发生变化。空间天气中的“风”是太阳风，“雨”则是来自太阳的带电粒子雨，会对人造卫星和空间站、通信与能源系统以及人类健康带来严重影响和危害。

一次完整的空间天气事件一般有如下过程：从太阳表面形成与发生，接着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。因此，需要对空间天气事件因果链（从太阳-行星际-磁层空间-电离层和中高层大气）的重要区域进行必要的监测，监测内容包括太阳表面的活动区、行星际、磁层空间和电离层中的粒子、电场、磁场和波动等离子体及电磁参数，热层和电离层中的密度、温度和速度等流体参数。

空间天气的研究对象主要是地球表面20千米以上的空间领域，这正是大部分航天、卫星、通信，以及导航活动的空间领域。航天器上的微电子元器件最怕的就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，引发机器工作异常或故障，甚至将其彻底摧毁。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，阻碍航天器正常工作。在航天器发射和运行期间，对空间天气要素进行连续监测和预报，对可能发生的灾害性空间天气事件作出预警，可以保障航天器的安全。

为了准确预报空间天气，预报员会收集最新的观测数据，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，对数据进行综合分析，然后结合观测数据、数值模拟等作出预报，最后与首席预报员进行会商，得出空间天气预报结论，并制作出各种预报产品。

随着太空探索的快速发展，空间天气预报变得越来越重要。20世纪90年代末，中国气象局开始空间天气业务试验工作。2002年，国家空间天气监测预警中心成立，并于2004年正式开展空间天气业务。2021年11月16日，国际民航组织全球空间天气中心揭牌，为全球民航业提供空间天气服务，保障航天安全。

空间天气预报产品种类很多，包括日报、周报、月报，以及年报等。

我国的空间天气预报已经迈入了数字化时代。随着探测飞船和卫星的发射，新的观测数据源源不断，空间天气预报水平稳步提高，可为航天员在太空中活动、火箭发射、卫星运行等提供空间天气预报及影响评估服务。2008年“神舟七号”载人飞船指令长翟志刚成为我国第一位太空出舱的航天员。当时，国家卫星气象中心就结合空间天气环境准确预报了出舱窗口时间，提供了更高的出舱安全系数，避免航天员遭遇严重的太阳高能粒子辐射。