光明日報記者 崔興毅

　　日常生活離不開(kāi)天氣預報，航天員在太空中活動(dòng)、火箭發(fā)射、衛星運行……也要關(guān)注空間天氣。如今，伴隨著(zhù)太空探索的快速發(fā)展，空間天氣預報變得越來(lái)越重要。20世紀90年代末，中國氣象局開(kāi)始空間天氣業(yè)務(wù)試驗。2002年，國家空間天氣監測預警中心成立，并于2004年正式開(kāi)展空間天氣業(yè)務(wù)。2021年11月16日，國際民航組織全球空間天氣中心揭牌，實(shí)現為全球民航業(yè)提供空間天氣服務(wù)，保障航空安全。從2002年建成至今，我國已基本建成“天地一體化”的空間天氣監測格局。但空間天氣是什么？怎么預報？對人類(lèi)有什么影響？

　　空間天氣是什么

　　太陽(yáng)爆發(fā)活動(dòng)及其所引發(fā)的空間環(huán)境變化

　　生活在地面上的我們，已經(jīng)習慣了陰晴雨雪的天氣變化。但遠在“九霄之外”，接近真空的宇宙空間里，也會(huì )有“天氣”存在嗎？

　　“在我們所處的地球與太陽(yáng)系唯一的恒星太陽(yáng)之間，我們能夠看到與感覺(jué)到的陽(yáng)光，其實(shí)只是穿梭在其中的一小部分，大量如伽馬、X射線(xiàn)這種日常難以接觸、能量更高的光線(xiàn)才是其中常客。”國家空間天氣監測預警中心工程師韓大洋說(shuō)，還有一刻不停“吹拂”到太陽(yáng)系每一個(gè)角落的太陽(yáng)風(fēng)，它們構成了行星際空間的物質(zhì)主體，其主要由帶電粒子組成，這些微粒速度很快，以每秒幾百千米的速度突破太陽(yáng)的引力束縛，進(jìn)入宇宙空間。

　　“而在靠近地球的這一邊，在太陽(yáng)光線(xiàn)的照射與太陽(yáng)風(fēng)的聯(lián)合作用下，能量以多種形式在改變著(zhù)地球的空間環(huán)境，從距離地面數萬(wàn)公里甚至更高的位置區域向內，形成地球磁場(chǎng)、電離層、熱層的立體結構。”韓大洋解釋說(shuō)。

　　一邊是不停提升強化等級向外輸出的太陽(yáng)，另一邊是擺出“層層陣線(xiàn)”護住基地的地球，兩者之間形成了宇宙空間中的巧妙“默契”與動(dòng)態(tài)“平衡”。

　　“太陽(yáng)并不是一成不變的！”韓大洋告訴記者，太陽(yáng)的工作模式一般分為平靜與爆發(fā)兩大類(lèi)，平靜時(shí)的太陽(yáng)所釋放出的太陽(yáng)風(fēng)速度低、變化慢，物質(zhì)密度也相對較低，并且沒(méi)有明顯的爆發(fā)活動(dòng)。“而一旦轉入爆發(fā)模式，太陽(yáng)風(fēng)就會(huì )發(fā)生明顯的變化，速度加快、密度增大，甚至就連溫度也會(huì )出現跳躍式的升高，耀斑和日冕物質(zhì)拋射這兩個(gè)‘大招’也會(huì )隨時(shí)放出，就連冷卻時(shí)間也會(huì )大幅度縮短，甚至開(kāi)啟‘狂暴模式’，多種爆發(fā)活動(dòng)同時(shí)甚至是連續的發(fā)生。”

　　“對應兩種太陽(yáng)活動(dòng)模式，地球磁層、電離層、熱層在內的空間環(huán)境也會(huì )隨之發(fā)生變化，這些變化會(huì )對人造衛星和空間站、通信與能源系統以及人類(lèi)健康帶來(lái)嚴重影響和危害。”韓大洋總結，太陽(yáng)爆發(fā)活動(dòng)及其所引發(fā)的空間環(huán)境變化稱(chēng)為空間天氣。

　　所以，空間天氣中的“風(fēng)”，就是太陽(yáng)風(fēng)；“雨”，就是來(lái)自太陽(yáng)的帶電粒子雨。

　　那“空間天氣”一詞從何而來(lái)？

　　據國家空間天氣監測預警中心工程師呂景天介紹，1957年，Science News Letter（《科學(xué)新聞》）上一篇科學(xué)新聞快報文章引用了天文學(xué)家Lyman Spitzer對星際介質(zhì)的研究，并且對他當時(shí)的一些理論進(jìn)行了解釋說(shuō)明，這里首次出現了“空間天氣”一詞。1964年，時(shí)任美國氣象局局長(cháng)在一次會(huì )議上提出，在科羅拉多州博爾德建立一個(gè)聯(lián)合小組，研究空間天氣預報的相關(guān)問(wèn)題。1967年，空間天氣這個(gè)詞出現在了美國環(huán)境科學(xué)服務(wù)局相關(guān)技術(shù)報告中。就這樣，“空間天氣”一詞走向了大眾視野。20世紀60年代后期，“空間天氣”一詞已被廣泛的應用起來(lái)了。

　　空間天氣研究什么

　　主要監測和研究太陽(yáng)相關(guān)參數

　　如同地球天氣中的風(fēng)霜雨雪等氣象要素一樣，空間環(huán)境中也存在著(zhù)可以探測的環(huán)境參數，只不過(guò)換成了粒子、磁場(chǎng)、電磁波等參量。與地面氣象探測相比，空間天氣監測有何不同？

　　據國家空間天氣監測預警中心研究員黃聰介紹，一是范圍更大，從監測距地面20~30公里高度的中高層大氣往上直至太陽(yáng)表面的活動(dòng)區；二是對象復雜，既要監測中高層大氣中的溫度、密度、速度等流體力學(xué)參數，也要監測電離層、磁層和行星際以及太陽(yáng)表面的粒子、場(chǎng)和溫度等等離子體參數。

　　“空間天氣監測的手段也多種多樣。”黃聰說(shuō)，對于電磁波，可以使用光學(xué)遙感和無(wú)線(xiàn)電手段來(lái)觀(guān)察；對于磁場(chǎng)，采用磁通門(mén)或磁阻技術(shù)來(lái)感知；對于粒子，可以用半導體或靜電分析儀的手段來(lái)監測。

　　空間天氣研究主要關(guān)心哪些區域？

　　黃聰告訴記者，主要集中在三個(gè)區域，空間天氣的源頭——太陽(yáng)，該區域到地球約1.5億公里；空間天氣傳播與演化的日地連線(xiàn)區域——日地行星際和磁層，該區域從太陽(yáng)表面一直到地面數千公里高空；空間天氣的地球響應區域——電離層和中高層大氣，該區域從數千公里高空一直到距地面20~30公里高度。

　　“一次完整的空間天氣事件一般具有從太陽(yáng)表面形成與發(fā)生、然后在行星際空間傳播和演化、最后在地球電離層和中高層大氣中產(chǎn)生影響和效應的規律。”黃聰說(shuō)，因此，從空間天氣業(yè)務(wù)需求來(lái)說(shuō)，需要對從太陽(yáng)—行星際—磁層空間—電離層和中高層大氣，這一空間天氣事件因果鏈上的重要區域進(jìn)行必要的監測，監測內容包括太陽(yáng)表面的活動(dòng)區、行星際、磁層和電離層中的粒子、電場(chǎng)、磁場(chǎng)和波動(dòng)等等離子體和電磁參數，熱層和電離層中的密度、溫度和速度等流體參數。

　　空間天氣的研究對象是地球表面20公里以上的空間領(lǐng)域，而這正是大部分的航天、衛星、通信、導航活動(dòng)發(fā)生或依賴(lài)的空間領(lǐng)域。因此，災害性的空間天氣會(huì )對其產(chǎn)生直接的影響。

　　據介紹，對于航天設備來(lái)說(shuō)，航天器上的微電子元器件最怕的就是高能粒子中能量更高的那一部分，這些高能粒子能夠穿透電子元件，造成數據錯誤、電路功能混亂或計算機整機癱瘓，引發(fā)機器的異常或故障，甚至將其徹底摧毀。

　　“而能量相對低一些的高能粒子，則可以在航天器內部的電路板、導線(xiàn)等位置產(chǎn)生電荷堆積，阻礙航天器的正常工作。”黃聰表示，在航天器發(fā)射和運行期間，對空間天氣要素進(jìn)行連續監測和預報，對可能發(fā)生的災害性空間天氣事件作出預警，可以保障航天器的安全。

　　空間天氣預報準確度如何

　　邁入了數值化時(shí)代，但“剛剛踏進(jìn)門(mén)檻”

　　“空間天氣變化的主要源頭是太陽(yáng)，‘太陽(yáng)大氣’劇烈的爆發(fā)現象會(huì )對空間天氣產(chǎn)生顯著(zhù)影響，比如太陽(yáng)耀斑、日冕物質(zhì)拋射、太陽(yáng)質(zhì)子事件等。”據國家空間天氣監測預警中心高級工程師宋喬介紹，耀斑是太陽(yáng)表面上小塊區域突然增亮的現象，耀斑的輻射增強通常遍及整個(gè)電磁波譜，其中極紫外、X射線(xiàn)等高能波段的輻射對地球電離層的影響尤為顯著(zhù)。

　　“太陽(yáng)的最外層大氣叫作日冕，正如其名字所暗示的，日冕物質(zhì)拋射會(huì )將大量的磁化等離子體拋向太空，如果擊中地球，可能會(huì )產(chǎn)生地磁暴。而太陽(yáng)質(zhì)子事件發(fā)生的時(shí)候，來(lái)自太陽(yáng)的高能粒子數量會(huì )迅猛增長(cháng)，這些能量很高的粒子會(huì )對空間站和航天員造成威脅。”宋喬說(shuō)。

　　不過(guò)對此，我們早有準備。去年發(fā)射的風(fēng)云三號E星就攜帶著(zhù)我國第一臺空間太陽(yáng)望遠鏡——可實(shí)現對太陽(yáng)日冕活動(dòng)的觀(guān)測，有效增強了空間天氣的監測能力，為更準確的空間天氣預報提供數據支撐。

　　目前，國家空間天氣監測預警中心基本實(shí)現了日地因果鏈上“全過(guò)程”的自主觀(guān)測，可為航天器發(fā)射及在軌運行提供空間天氣預報及影響評估服務(wù)，為載人航天任務(wù)提供出艙時(shí)間窗預報，避免航天員遭遇嚴重的太陽(yáng)高能粒子輻射，為航天員提供更高的出艙安全系數。如2008年神舟七號載人飛船指令長(cháng)翟志剛，成為我國第一位太空出艙的航天員。當時(shí)，國家衛星氣象中心就結合空間天氣環(huán)境準確預報了出艙窗口時(shí)間。

　　我們的空間天氣預報是如何做出來(lái)的？

　　宋喬介紹，空間天氣預報員會(huì )收集最新的觀(guān)測數據，包括各個(gè)波段的太陽(yáng)圖像、太陽(yáng)X射線(xiàn)流量、太陽(yáng)磁場(chǎng)、地磁指數、電離層狀態(tài)等，對這些數據進(jìn)行綜合分析，然后結合觀(guān)測數據、數值模擬等做出預報，與首席預報員進(jìn)行會(huì )商，從而得出空間天氣預報結論，并制作各種預報產(chǎn)品。

　　“空間天氣預報產(chǎn)品種類(lèi)很多，包括日報、周報、月報、年報等。”宋喬說(shuō)，空間天氣日報總結過(guò)去24小時(shí)的空間天氣情況，并預報未來(lái)1-3天的空間天氣狀態(tài)，包括太陽(yáng)活動(dòng)水平、地磁活動(dòng)水平以及電離層狀態(tài)等；空間天氣周報則是總結最近7天的空間天氣態(tài)勢，預報未來(lái)7天空間天氣趨勢。“當有大耀斑、地磁暴等重要的空間天氣事件發(fā)生時(shí)，還會(huì )發(fā)布空間天氣預報，讓普通人也可以了解到最新的空間天氣狀態(tài)。”

　　如今，空間天氣預報也邁入了數值化時(shí)代。“以觀(guān)測數據和科學(xué)理論為基礎，通過(guò)太陽(yáng)表面物理參數預測耀斑發(fā)生的概率、通過(guò)數值模型計算太陽(yáng)風(fēng)參數等方法正在不斷發(fā)展。”宋喬表示，隨著(zhù)各國探測飛船和衛星的發(fā)射，新的觀(guān)測數據源源不斷，空間天氣預報水平將穩步提高。

　　“太陽(yáng)活動(dòng)有一個(gè)很有意思的現象，就是大概每11年一個(gè)周期，有太陽(yáng)活動(dòng)高年，也有太陽(yáng)活動(dòng)低年。當然，這也只能說(shuō)是一個(gè)趨勢，并不絕對。而且太陽(yáng)生命久遠，我們基于有限的觀(guān)測總結出了11年的周期，但隨著(zhù)未來(lái)的繼續觀(guān)測，發(fā)現的周期規律也可能會(huì )改變。”在國家空間天氣監測預警中心空間天氣預報臺副臺長(cháng)郭建廣看來(lái)，空間天氣預報“剛剛踏進(jìn)門(mén)檻”。