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空间“天气预报”,危险早知道

发布时间:2022年06月16日 来源:光明日报

光明日报记者 崔兴毅

日常生活离不开天气预报,航天员在太空中活动、火箭发射、卫星运行……也要关注空间天气。如今,伴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。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,实现为全球民航业提供空间天气服务,保障航空安全。从2002年建成至今,我国已基本建成“天地一体化”的空间天气监测格局。但空间天气是什么?怎么预报?对人类有什么影响?

空间天气是什么

太阳爆发活动及其所引发的空间环境变化

生活在地面上的我们,已经习惯了阴晴雨雪的天气变化。但远在“九霄之外”,接近真空的宇宙空间里,也会有“天气”存在吗?

“在我们所处的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其中常客。”国家空间天气监测预警中心工程师韩大洋说,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。

空间天气对人类活动的影响。图片由中国气象局提供

太阳风暴与空间天气。图片由中国气象局提供

“而在靠近地球的这一边,在太阳光线的照射与太阳风的联合作用下,能量以多种形式在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。”韩大洋解释说。

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”。

“太阳并不是一成不变的!”韩大洋告诉记者,太阳的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。“而一旦转入爆发模式,太阳风就会发生明显的变化,速度加快、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的发生。”

“对应两种太阳活动模式,地球磁层、电离层、热层在内的空间环境也会随之发生变化,这些变化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。”韩大洋总结,太阳爆发活动及其所引发的空间环境变化称为空间天气。

所以,空间天气中的“风”,就是太阳风;“雨”,就是来自太阳的带电粒子雨。

那“空间天气”一词从何而来?

据国家空间天气监测预警中心工程师吕景天介绍,1957年,Science News Letter(《科学新闻》)上一篇科学新闻快报文章引用了天文学家Lyman Spitzer对星际介质的研究,并且对他当时的一些理论进行了解释说明,这里首次出现了“空间天气”一词。1964年,时任美国气象局局长在一次会议上提出,在科罗拉多州博尔德建立一个联合小组,研究空间天气预报的相关问题。1967年,空间天气这个词出现在了美国环境科学服务局相关技术报告中。就这样,“空间天气”一词走向了大众视野。20世纪60年代后期,“空间天气”一词已被广泛的应用起来了。

空间天气研究什么

主要监测和研究太阳相关参数

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。与地面气象探测相比,空间天气监测有何不同?

据国家空间天气监测预警中心研究员黄聪介绍,一是范围更大,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;二是对象复杂,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、场和温度等等离子体参数。

“空间天气监测的手段也多种多样。”黄聪说,对于电磁波,可以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来感知;对于粒子,可以用半导体或静电分析仪的手段来监测。

空间天气研究主要关心哪些区域?

黄聪告诉记者,主要集中在三个区域,空间天气的源头——太阳,该区域到地球约1.5亿公里;空间天气传播与演化的日地连线区域——日地行星际和磁层,该区域从太阳表面一直到地面数千公里高空;空间天气的地球响应区域——电离层和中高层大气,该区域从数千公里高空一直到距地面20~30公里高度。

“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。”黄聪说,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,监测内容包括太阳表面的活动区、行星际、磁层和电离层中的粒子、电场、磁场和波动等等离子体和电磁参数,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是地球表面20公里以上的空间领域,而这正是大部分的航天、卫星、通信、导航活动发生或依赖的空间领域。因此,灾害性的空间天气会对其产生直接的影响。

据介绍,对于航天设备来说,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,引发机器的异常或故障,甚至将其彻底摧毁。

“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。”黄聪表示,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。

空间天气预报准确度如何

迈入了数值化时代,但“刚刚踏进门槛”

“空间天气变化的主要源头是太阳,‘太阳大气’剧烈的爆发现象会对空间天气产生显著影响,比如太阳耀斑、日冕物质抛射、太阳质子事件等。”据国家空间天气监测预警中心高级工程师宋乔介绍,耀斑是太阳表面上小块区域突然增亮的现象,耀斑的辐射增强通常遍及整个电磁波谱,其中极紫外、X射线等高能波段的辐射对地球电离层的影响尤为显著。

“太阳的最外层大气叫作日冕,正如其名字所暗示的,日冕物质抛射会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会迅猛增长,这些能量很高的粒子会对空间站和航天员造成威胁。”宋乔说。

不过对此,我们早有准备。去年发射的风云三号E星就携带着我国第一台空间太阳望远镜——可实现对太阳日冕活动的观测,有效增强了空间天气的监测能力,为更准确的空间天气预报提供数据支撑。

目前,国家空间天气监测预警中心基本实现了日地因果链上“全过程”的自主观测,可为航天器发射及在轨运行提供空间天气预报及影响评估服务,为载人航天任务提供出舱时间窗预报,避免航天员遭遇严重的太阳高能粒子辐射,为航天员提供更高的出舱安全系数。如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。

我们的空间天气预报是如何做出来的?

宋乔介绍,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,对这些数据进行综合分析,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,从而得出空间天气预报结论,并制作各种预报产品。

“空间天气预报产品种类很多,包括日报、周报、月报、年报等。”宋乔说,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,还会发布空间天气预报,让普通人也可以了解到最新的空间天气状态。”

如今,空间天气预报也迈入了数值化时代。“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。”宋乔表示,随着各国探测飞船和卫星的发射,新的观测数据源源不断,空间天气预报水平将稳步提高。

“太阳活动有一个很有意思的现象,就是大概每11年一个周期,有太阳活动高年,也有太阳活动低年。当然,这也只能说是一个趋势,并不绝对。而且太阳生命久远,我们基于有限的观测总结出了11年的周期,但随着未来的继续观测,发现的周期规律也可能会改变。”在国家空间天气监测预警中心空间天气预报台副台长郭建广看来,空间天气预报“刚刚踏进门槛”。

(责任编辑:栾菲)

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