地球上的天氣變幻莫測(cè)，時(shí)而陽(yáng)光明媚，時(shí)而狂風(fēng)暴雨，而在九霄云外的外太空，也同樣存在天氣，科學(xué)家稱之為空間天氣。它是否和地面天氣一樣多變？也會(huì)刮風(fēng)下雨嗎？
太陽(yáng)活動(dòng)主導(dǎo)空間天氣
在一些高緯度國(guó)家和地區(qū)，可以看到絢爛的極光在夜空飄蕩，訴說(shuō)美麗的同時(shí)也“泄露”著宇宙的秘密——空間天氣。
空間天氣在日地空間中，能影響空間、地面技術(shù)系統(tǒng)的運(yùn)行和可靠性，以及危害人類健康和生命的條件、狀態(tài)或事件。“太陽(yáng)活動(dòng)是空間天氣變化的主要源頭，因此太陽(yáng)活動(dòng)的強(qiáng)弱是決定空間天氣的主要因素。”國(guó)家衛(wèi)星氣象中心空間天氣預(yù)報(bào)臺(tái)首席預(yù)報(bào)員陳安芹說(shuō)。
空間天氣中的“風(fēng)”是太陽(yáng)風(fēng)，“雨”則是來(lái)自太陽(yáng)的帶電粒子雨，與地球上的天氣一樣，空間天氣也會(huì)“陰晴不定”。在太陽(yáng)活動(dòng)低年時(shí)，空間天氣較為平靜。而在太陽(yáng)活動(dòng)高年時(shí)，太陽(yáng)風(fēng)暴則頻繁發(fā)生、形式多樣，如耀斑、日冕物質(zhì)拋射、日珥爆發(fā)等。“太陽(yáng)上的耀斑像是突如其來(lái)的龍卷風(fēng)，而CME（日冕物質(zhì)噴發(fā)）則像臺(tái)風(fēng)，這些，都如同外層空間的‘狂風(fēng)暴雨’”，陳安芹解釋道。
太陽(yáng)“一打噴嚏”，地球就“感冒”
空間天氣看似遙遠(yuǎn)亦或不相干，其實(shí)它無(wú)所不在、充斥在我們生活的方方面面。比如，當(dāng)太陽(yáng)風(fēng)暴爆發(fā)時(shí)，輪船、汽車，甚至智能手機(jī)都會(huì)受到干擾，出現(xiàn)定位不準(zhǔn)等問(wèn)題。
事實(shí)上，太陽(yáng)風(fēng)暴通常對(duì)地球造成三輪沖擊。太陽(yáng)耀斑爆發(fā)時(shí)，其發(fā)出的電磁波以光速傳向地球，八分半鐘即可抵達(dá)地球，引起電離層騷擾，影響高頻無(wú)線電通信、導(dǎo)航定位等；其攜帶的高能質(zhì)子在幾十分鐘至十幾個(gè)小時(shí)后到達(dá)地球，引起電離層D區(qū)吸收，影響航空通信、衛(wèi)星運(yùn)行等；其伴隨的日冕物質(zhì)拋射，則在約三天后到達(dá)地球，引起地磁暴、磁層亞暴，并且可能影響低軌衛(wèi)星的軌道高度、電網(wǎng)的安全運(yùn)行以及地質(zhì)勘探等。
“大多數(shù)情況下，我們感覺不到太陽(yáng)風(fēng)暴的影響，但超級(jí)太陽(yáng)風(fēng)暴可能對(duì)日常生活造成嚴(yán)重影響。”首席預(yù)報(bào)員宋喬介紹，以1989年3月超級(jí)太陽(yáng)風(fēng)暴為例，地磁暴發(fā)生后不到90秒的時(shí)間，加拿大魁北克省電網(wǎng)全面癱瘓，600萬(wàn)戶民居陷入黑暗，停電長(zhǎng)達(dá)9小時(shí)，部分地區(qū)甚至數(shù)日才恢復(fù)供電。
除了會(huì)影響我們的日常生活，超級(jí)太陽(yáng)風(fēng)暴對(duì)高科技設(shè)備系統(tǒng)的影響更大。宋喬補(bǔ)充道，如2000年7月14日的“巴士底日事件”致使多顆人造衛(wèi)星出現(xiàn)圖像質(zhì)量下降、數(shù)據(jù)丟失、軌道下降等情況 。其中，受影響最嚴(yán)重的日本ASCA衛(wèi)星，最終墜入地球大氣層燒毀。
讀懂太陽(yáng)“臉色”
如何讀懂太陽(yáng)“臉色”，空間天氣預(yù)報(bào)顯得尤為重要。
“空間天氣預(yù)報(bào)主要目的是預(yù)測(cè)預(yù)報(bào)空間天氣事件及其影響。”陳安芹說(shuō)，預(yù)報(bào)員會(huì)綜合分析監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)，結(jié)合統(tǒng)計(jì)模型和數(shù)值模擬結(jié)果等做出預(yù)報(bào)，經(jīng)與首席預(yù)報(bào)員會(huì)商并得出預(yù)報(bào)結(jié)論后，制作各種預(yù)報(bào)產(chǎn)品。
當(dāng)前，空間天氣預(yù)報(bào)產(chǎn)品種類豐富，包括日?qǐng)?bào)、周報(bào)、月報(bào)、年報(bào)等。例如，日?qǐng)?bào)主要總結(jié)過(guò)去24小時(shí)的空間天氣情況，并預(yù)報(bào)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。“當(dāng)有大耀斑、強(qiáng)地磁暴等重要空間天氣事件發(fā)生時(shí)，還會(huì)發(fā)布空間天氣預(yù)警、現(xiàn)報(bào)等產(chǎn)品，讓公眾和專業(yè)用戶及時(shí)掌握太陽(yáng)活動(dòng)的最新動(dòng)向。”
當(dāng)下，空間天氣預(yù)報(bào)正從經(jīng)驗(yàn)預(yù)報(bào)時(shí)代邁向數(shù)值預(yù)報(bào)時(shí)代。宋喬表示，以觀測(cè)數(shù)據(jù)和科學(xué)理論為基礎(chǔ)，通過(guò)太陽(yáng)表面物理參數(shù)預(yù)測(cè)耀斑發(fā)生的概率、通過(guò)數(shù)值模型計(jì)算太陽(yáng)風(fēng)參數(shù)等方法在不斷發(fā)展，預(yù)報(bào)水平穩(wěn)步提高，為我國(guó)衛(wèi)星發(fā)射和載人航天，地面技術(shù)系統(tǒng)、導(dǎo)航、通信等保駕護(hù)航。（林禹彤）
航天員“太空漫步”，空間天氣預(yù)報(bào)隨行
生活在地球的我們，已經(jīng)習(xí)慣了陰晴雨雪的天氣變化。相比普通大眾，航天員更為關(guān)注空間天氣，因?yàn)楹偷孛嫦啾龋教靻T在太空行走，意味著要從飛船內(nèi)近似于地面的大氣環(huán)境進(jìn)入太空高真空、強(qiáng)輻射的環(huán)境，也意味著要在離開飛船、失重的太空中踽踽獨(dú)行。那么，該如何保證出艙航天員的安全？
航天員太空行走，
會(huì)面臨哪些危險(xiǎn)？
國(guó)家衛(wèi)星氣象中心空間天氣技術(shù)研發(fā)室正高級(jí)工程師薛炳森表示，中國(guó)空間站位于400公里左右高度的軌道，要經(jīng)歷嚴(yán)酷的空間環(huán)境，比如高真空、高能粒子輻射、從-100℃到100℃的高低溫交變等。另外，還可能遭遇對(duì)空間站威脅最大的空間碎片。而隨著近地衛(wèi)星的迅速擴(kuò)容，空間站的軌道也變得擁擠起來(lái)，特別是星鏈組網(wǎng)衛(wèi)星的發(fā)射，將會(huì)有數(shù)萬(wàn)顆衛(wèi)星穿越空間站軌道，殘留大量碎片，使航天員所駐扎的空間站環(huán)境變得更加兇險(xiǎn)。
長(zhǎng)期駐留空間站的航天員還需關(guān)注輻射環(huán)境，在近地軌道高度，巴西上空常年存在穩(wěn)定的高能粒子通量異常區(qū)，空間站每天都會(huì)多次穿越該區(qū)域，是伴隨空間站全生命周期的一種惡劣環(huán)境；在太陽(yáng)活動(dòng)高年，不定期發(fā)生的太陽(yáng)質(zhì)子事件也會(huì)引起空間站輻射環(huán)境的惡化。對(duì)于這些高能粒子，空間站的“外墻”可以將其阻擋，但在超級(jí)太陽(yáng)質(zhì)子事件爆發(fā)期，如1989年7月和2003年11月的質(zhì)子事件，導(dǎo)致國(guó)際空間站輻射嚴(yán)重超標(biāo)，航天員被迫進(jìn)入返回艙躲避。
“雖然空間站對(duì)于空間碎片和輻射環(huán)境有足夠的防護(hù)條件和嚴(yán)謹(jǐn)?shù)膽?yīng)急預(yù)案，但脫離了空間站防護(hù)層的保護(hù)時(shí)就變得相當(dāng)危險(xiǎn)。對(duì)于航天員來(lái)說(shuō)，航天服雖然可以起到保護(hù)作用，但空間中存在數(shù)量較多且很難被發(fā)現(xiàn)的小碎片，一旦擊中航天服，后果不堪設(shè)想。”薛炳森說(shuō)，“這，就需要準(zhǔn)確的空間天氣預(yù)報(bào)。”
空間天氣預(yù)報(bào)，
為航天員系好“安全帶”
航天員的出艙活動(dòng)時(shí)間會(huì)經(jīng)過(guò)嚴(yán)密計(jì)算與安排。“準(zhǔn)確的空間天氣預(yù)報(bào)，將為航天員‘太空漫步’保駕護(hù)航，不會(huì)讓其遭遇太陽(yáng)質(zhì)子事件。”薛炳森堅(jiān)定地說(shuō)，“地面系統(tǒng)時(shí)刻監(jiān)視著太陽(yáng)高能粒子的變化，一旦突破閾值就會(huì)緊急命令航天員返回艙內(nèi)。”
國(guó)家衛(wèi)星氣象中心（國(guó)家空間天氣監(jiān)測(cè)預(yù)警中心）作為國(guó)家級(jí)空間天氣業(yè)務(wù)單位，為航天器發(fā)射及在軌運(yùn)行提供空間天氣預(yù)報(bào)及影響評(píng)估服務(wù)，為載人航天任務(wù)提供出艙時(shí)間窗口預(yù)報(bào)，避免航天員出艙活動(dòng)時(shí)剛好遭遇嚴(yán)重的太陽(yáng)高能粒子輻射。預(yù)報(bào)員根據(jù)太陽(yáng)表面黑子的形態(tài)和演化特征，能夠提前1—3天知曉太陽(yáng)質(zhì)子事件的爆發(fā)和強(qiáng)度，航天地面系統(tǒng)可以根據(jù)預(yù)報(bào)結(jié)果安排航天員出艙，提供更高的出艙安全系數(shù)；如果預(yù)測(cè)到超強(qiáng)太陽(yáng)質(zhì)子事件，氣象部門則直接向航天系統(tǒng)發(fā)出警報(bào)，使航天員進(jìn)入屏蔽艙；強(qiáng)地磁擾動(dòng)會(huì)引起空間站軌道上大氣密度的大幅升高，預(yù)報(bào)員預(yù)測(cè)到強(qiáng)地磁事件時(shí)，將會(huì)提請(qǐng)航天部門提前準(zhǔn)備應(yīng)對(duì)軌道高度的突然下降。
另外，國(guó)家衛(wèi)星氣象中心專門開發(fā)了空間碎片碰撞預(yù)警系統(tǒng)，能夠?qū)崟r(shí)預(yù)報(bào)太空中高速飛行的碎片位置，為包括風(fēng)云衛(wèi)星在內(nèi)的航天器安全運(yùn)行提供保障。
2008年，神舟七號(hào)載人飛船指令長(zhǎng)翟志剛成為我國(guó)第一位太空出艙的航天員，國(guó)家衛(wèi)星氣象中心結(jié)合空間天氣環(huán)境準(zhǔn)確預(yù)報(bào)出艙窗口時(shí)間；2011年，神舟八號(hào)飛船與天宮一號(hào)實(shí)驗(yàn)艙首次進(jìn)行太空交會(huì)對(duì)接，衛(wèi)星中心根據(jù)對(duì)接軌道環(huán)境，對(duì)窗口期前后時(shí)間段的空間天氣做出準(zhǔn)確研判，為任務(wù)的順利完成提供了重要保障。（唐淼 于桐）
空間天氣，悄然無(wú)聲的存在
當(dāng)你還在公園慢跑時(shí)，你的手機(jī)卻將你定位為已到家；當(dāng)你在航班上滿懷出行的期待時(shí)，來(lái)自宇宙深處的射線正在偷偷給你做X光檢查；當(dāng)你心心念念的冰淇淋還在冰箱睡大覺時(shí)，遠(yuǎn)在一億五千萬(wàn)公里之外的太陽(yáng)，已經(jīng)在謀劃如何替你吃掉它……這些不可思議事情的發(fā)生，其實(shí)都與空間天氣緊密相連。換言之，空間天氣在通信導(dǎo)航、能源電力、飛行安全等諸多日常生活方面，影響著我們。
自1895年馬可尼發(fā)明無(wú)線電發(fā)報(bào)機(jī)，通信技術(shù)快速發(fā)展，但其所遵循的“無(wú)線電波經(jīng)電離層折、反射傳輸”這一科學(xué)基礎(chǔ)從未改變。顧名思義，電離層就是被電離之后的大氣層，由太陽(yáng)光照射到高空空氣而形成，電離層的穩(wěn)定決定著無(wú)線電通信質(zhì)量，當(dāng)太陽(yáng)爆發(fā)耀斑等活動(dòng)后，極強(qiáng)輻射帶來(lái)巨大能量，從而打破電離層的穩(wěn)定，改變其結(jié)構(gòu)，造成無(wú)線電信號(hào)穿過(guò)電離層射向宇宙，或“吞掉”衛(wèi)星發(fā)回地面的關(guān)鍵信息，造成短波收音系統(tǒng)以及衛(wèi)星電話、導(dǎo)航設(shè)備工作異常。
那我們拿手機(jī)打電話，是不是就應(yīng)該不受空間天氣的影響了？畢竟信號(hào)是通過(guò)地面基站完成傳輸，并沒有通過(guò)電離層。
絕大多數(shù)情況下確實(shí)如此，但少發(fā)的極端情況也存在。當(dāng)太陽(yáng)耀斑活動(dòng)強(qiáng)度非常高時(shí)，這些包含著自然界所有波段的光波可能會(huì)突破大氣層的防守，甚至到達(dá)地面高度，形成無(wú)數(shù)的噪音信號(hào)。就如同你在地鐵里打電話，當(dāng)列車高速行駛時(shí)，周圍的噪音信號(hào)分貝很高，難以聽清電話聽筒的聲音，同時(shí)不覺間提高嗓音。手機(jī)信號(hào)面對(duì)耀斑輻射也一樣，一旦干擾信號(hào)足夠強(qiáng)，手機(jī)的有效信號(hào)就會(huì)被茫茫太陽(yáng)輻射所淹沒。
而在太陽(yáng)耀斑發(fā)生時(shí)，往往還會(huì)伴隨著日冕物質(zhì)拋射活動(dòng)，少部分情況還會(huì)發(fā)生質(zhì)子事件，前者會(huì)引發(fā)地磁暴，威脅能源輸電網(wǎng)絡(luò)，后者則會(huì)給我們的健康帶來(lái)風(fēng)險(xiǎn)，尤其是在搭乘飛行時(shí)。
當(dāng)飛機(jī)到達(dá)海拔8000到12000米的平流層高度時(shí)，氣流活動(dòng)少，進(jìn)入平飛狀態(tài)。此時(shí)，乘客可以起身活動(dòng)，空乘也開始發(fā)放航食。但這一高度大氣稀薄，電離輻射比地面高出約30—50倍，如果遇到質(zhì)子事件發(fā)生，對(duì)于跨極區(qū)飛行，可能給人體造成的輻射劑量將比地面高數(shù)千倍，相當(dāng)于飛行期間做了X光檢查。不過(guò)，公眾也不用過(guò)分擔(dān)心，畢竟飛行時(shí)長(zhǎng)短暫，但對(duì)于飛行員和乘務(wù)組來(lái)說(shuō)，就要注意累積輻射劑量，控制其在安全范圍內(nèi)。（韓大洋）
炫彩極光的背后
極光是一種絢麗的發(fā)光現(xiàn)象，當(dāng)黑暗夜空被奇妙的光束點(diǎn)亮，就如同一場(chǎng)多彩又神秘的演出。但同時(shí)，極光背后也暗藏著地球和其他行星空間中發(fā)生的高能量爆發(fā)性物理過(guò)程。那么，美麗的極光是如何產(chǎn)生的？除了南北極，低緯度地區(qū)能一睹極光的風(fēng)采嗎？極光背后有哪些危險(xiǎn)的存在？本文帶您揭開極光的神秘面紗——
炫彩極光的誕生
照明需要能量，夜晚的萬(wàn)家燈火需要電能，極地上空流光溢彩的極光同樣需要能量。地球上大部分能量都來(lái)源于太陽(yáng)，極光也不例外，其能量的來(lái)源也是太陽(yáng)。
太陽(yáng)是一個(gè)時(shí)刻都在進(jìn)行核聚變的巨大天體，除了給地球提供能量以外，核聚變還會(huì)不停產(chǎn)生大量高能帶電粒子。這些物質(zhì)噴涌而出，充斥在整個(gè)太陽(yáng)系，被形象地稱為太陽(yáng)風(fēng)。大家知道，地球磁場(chǎng)就如同盾牌一般，可抵擋來(lái)自宇宙的“千軍萬(wàn)馬”。因此，太陽(yáng)風(fēng)并不會(huì)直接吹到地球上，而是在地球磁場(chǎng)的作用下圍繞地球儲(chǔ)存起來(lái)，當(dāng)儲(chǔ)存的能量飽和時(shí)，就會(huì)沿著磁力線跑到地球大氣層，在與大氣相互碰撞后，大氣中的原子和分子獲得能量并釋放，這就形成了讓我們大飽眼福的極光。
低緯度地區(qū)也能看到極光
由于帶電粒子沿磁力線沉降到極區(qū)，所以我們看到的極光都發(fā)生在磁場(chǎng)北極或南極附近。恰巧磁軸與地軸只差了十幾度，位置基本一致，便感覺到極光發(fā)生在南極和北極。
現(xiàn)如今，磁軸相比地理軸是往北美偏移的，所以比起亞洲，北美更容易看到極光。
但歷史上，磁軸并非一直不變，也發(fā)生過(guò)漂移。中國(guó)科學(xué)院地質(zhì)與地球物理研究所特聘研究員堯中華說(shuō)道：“在一兩千年前，磁軸曾經(jīng)偏向西伯利亞，那時(shí)中國(guó)境內(nèi)比北美相同緯度更容易看到極光。”同時(shí)，如果太陽(yáng)活動(dòng)強(qiáng)度夠大，低緯度地區(qū)也可以看到極光。
此外，雖然我們對(duì)極光已經(jīng)觀測(cè)了數(shù)千年，但其實(shí)極光并不是地球獨(dú)有的“特產(chǎn)”。太陽(yáng)系八大行星中，除了水星不存在大氣而沒有極光外，其他行星都存在極光。其中，木星擁有著太陽(yáng)系最強(qiáng)的極光，比地球的極光要強(qiáng)數(shù)百倍。
美麗背后的危險(xiǎn)
“美麗的極光是人類能直接用肉眼觀察到的空間天氣現(xiàn)象，但它的發(fā)生可能意味著地球正在遭受太陽(yáng)風(fēng)暴影響”，堯中華說(shuō)。正如前文提到的，極光是由高能量帶電粒子快速地與大氣碰撞產(chǎn)生，而高能帶電粒子快速運(yùn)動(dòng)會(huì)產(chǎn)生什么？那就是電流。
因此，大的極光事件一定伴隨著大的電流擾動(dòng)以及大的電磁擾動(dòng)，可能影響人造地球衛(wèi)星和地面通信以及電力系統(tǒng)等。我國(guó)雖然不在極光帶上，但作為航天大國(guó)，也需要開展極光研究，這不僅能夠幫助我們更好地了解和應(yīng)對(duì)相關(guān)風(fēng)險(xiǎn)與災(zāi)害，也能為服務(wù)國(guó)家未來(lái)深空探測(cè)戰(zhàn)略提供參考。
微話題：信鴿飛行指數(shù)預(yù)報(bào)讓精靈不再迷航
與太空飛行的航天器不同，信鴿這種飛翔的精靈活動(dòng)高度只有幾米到數(shù)百米。在地球磁場(chǎng)和大氣層的雙重保護(hù)下，它們不用擔(dān)心宇宙射線和高能粒子的轟擊。但是，依靠地球磁場(chǎng)和太陽(yáng)坐標(biāo)導(dǎo)航的鴿子，卻會(huì)苦惱于突然發(fā)生的磁暴。
人類進(jìn)行野外勘探和探險(xiǎn)活動(dòng)時(shí)，會(huì)借助指南針、導(dǎo)航儀等設(shè)備，而信鴿、海龜?shù)葎?dòng)物在千萬(wàn)年的進(jìn)化過(guò)程中，也形成了借助地球物理環(huán)境導(dǎo)航的本領(lǐng)。信鴿通過(guò)太陽(yáng)所處高度與方位和自身的生物鐘能夠判斷東西方向，再結(jié)合地球磁場(chǎng)沿緯度的梯度分布，比對(duì)鴿巢的地磁數(shù)據(jù)，就能判斷出當(dāng)下位置與鴿巢的相對(duì)南北方位，從而找到回家的路。
當(dāng)太陽(yáng)風(fēng)集中吹拂地球或是太陽(yáng)爆發(fā)日冕物質(zhì)拋射時(shí)，地球磁場(chǎng)可能發(fā)生強(qiáng)度和方向的短時(shí)劇烈變化，這就是地磁暴的本質(zhì)。如果此時(shí)，信鴿在距鴿巢數(shù)百公里外的飛行途中，便會(huì)被擾亂了方位，尤其是當(dāng)?shù)卮疟?qiáng)度達(dá)到中等或更高等級(jí)時(shí)，判斷的誤差可達(dá)十公里甚至數(shù)十公里，遠(yuǎn)超信鴿通過(guò)肉眼可搜尋的范圍，造成無(wú)法歸巢。
“信鴿飛行指數(shù)預(yù)報(bào)”就是根據(jù)信鴿遠(yuǎn)距離飛行的導(dǎo)航理論，針對(duì)國(guó)內(nèi)廣大信鴿運(yùn)動(dòng)參與者，專門制作的一種空間天氣專業(yè)服務(wù)。它根據(jù)太陽(yáng)未來(lái)活動(dòng)趨勢(shì)、爆發(fā)可能性、時(shí)間跨度以及強(qiáng)度，預(yù)判可能造成的信鴿導(dǎo)航誤差，從而指導(dǎo)信鴿司放運(yùn)動(dòng)開展，減少不必要的信鴿丟失。
當(dāng)你出門旅游前規(guī)劃行程而留意天氣預(yù)報(bào)時(shí)，空間天氣也為咕咕叫的信鴿準(zhǔn)備了專業(yè)氣象產(chǎn)品。看似高冷莫測(cè)的空間天氣領(lǐng)域，服務(wù)產(chǎn)品其實(shí)也是十分貼心的。