光明日報記者 崔興(xing) 毅

　　日常生活離不開天氣預報，航天員在太空中活動、火箭發射、衛星運行……也要關(guan) 注空間天氣。如今，伴隨著太空探索的快速發展，空間天氣預報變得越來越重要。20世紀90年代末，中國氣象局開始空間天氣業(ye) 務試驗。2002年，國家空間天氣監測預警中心成立，並於(yu) 2004年正式開展空間天氣業(ye) 務。2021年11月16日，國際民航組織全球空間天氣中心揭牌，實現為(wei) 全球民航業(ye) 提供空間天氣服務，保障航空安全。從(cong) 2002年建成至今，我國已基本建成“天地一體(ti) 化”的空間天氣監測格局。但空間天氣是什麽(me) ？怎麽(me) 預報？對人類有什麽(me) 影響？

　　空間天氣是什麽(me)

　　太陽爆發活動及其所引發的空間環境變化

　　生活在地麵上的我們(men) ，已經習(xi) 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裏，也會(hui) 有“天氣”存在嗎？

　　“在我們(men) 所處的地球與(yu) 太陽係唯一的恒星太陽之間，我們(men) 能夠看到與(yu) 感覺到的陽光，其實隻是穿梭在其中的一小部分，大量如伽馬、X射線這種日常難以接觸、能量更高的光線才是其中常客。”國家空間天氣監測預警中心工程師韓大洋說，還有一刻不停“吹拂”到太陽係每一個(ge) 角落的太陽風，它們(men) 構成了行星際空間的物質主體(ti) ，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的引力束縛，進入宇宙空間。

　　“而在靠近地球的這一邊，在太陽光線的照射與(yu) 太陽風的聯合作用下，能量以多種形式在改變著地球的空間環境，從(cong) 距離地麵數萬(wan) 公裏甚至更高的位置區域向內(nei) ，形成地球磁場、電離層、熱層的立體(ti) 結構。”韓大洋解釋說。

　　一邊是不停提升強化等級向外輸出的太陽，另一邊是擺出“層層陣線”護住基地的地球，兩(liang) 者之間形成了宇宙空間中的巧妙“默契”與(yu) 動態“平衡”。

　　“太陽並不是一成不變的！”韓大洋告訴記者，太陽的工作模式一般分為(wei) 平靜與(yu) 爆發兩(liang) 大類，平靜時的太陽所釋放出的太陽風速度低、變化慢，物質密度也相對較低，並且沒有明顯的爆發活動。“而一旦轉入爆發模式，太陽風就會(hui) 發生明顯的變化，速度加快、密度增大，甚至就連溫度也會(hui) 出現跳躍式的升高，耀斑和日冕物質拋射這兩(liang) 個(ge) ‘大招’也會(hui) 隨時放出，就連冷卻時間也會(hui) 大幅度縮短，甚至開啟‘狂暴模式’，多種爆發活動同時甚至是連續的發生。”

　　“對應兩(liang) 種太陽活動模式，地球磁層、電離層、熱層在內(nei) 的空間環境也會(hui) 隨之發生變化，這些變化會(hui) 對人造衛星和空間站、通信與(yu) 能源係統以及人類健康帶來嚴(yan) 重影響和危害。”韓大洋總結，太陽爆發活動及其所引發的空間環境變化稱為(wei) 空間天氣。

　　所以，空間天氣中的“風”，就是太陽風；“雨”，就是來自太陽的帶電粒子雨。

　　那“空間天氣”一詞從(cong) 何而來？

　　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（《科學新聞》）上一篇科學新聞快報文章引用了天文學家Lyman Spitzer對星際介質的研究，並且對他當時的一些理論進行了解釋說明，這裏首次出現了“空間天氣”一詞。1964年，時任美國氣象局局長在一次會(hui) 議上提出，在科羅拉多州博爾德建立一個(ge) 聯合小組，研究空間天氣預報的相關(guan) 問題。1967年，空間天氣這個(ge) 詞出現在了美國環境科學服務局相關(guan) 技術報告中。就這樣，“空間天氣”一詞走向了大眾(zhong) 視野。20世紀60年代後期，“空間天氣”一詞已被廣泛的應用起來了。

　　空間天氣研究什麽(me)

　　主要監測和研究太陽相關(guan) 參數

　　如同地球天氣中的風霜雨雪等氣象要素一樣，空間環境中也存在著可以探測的環境參數，隻不過換成了粒子、磁場、電磁波等參量。與(yu) 地麵氣象探測相比，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，一是範圍更大，從(cong) 監測距地麵20~30公裏高度的中高層大氣往上直至太陽表麵的活動區；二是對象複雜，既要監測中高層大氣中的溫度、密度、速度等流體(ti) 力學參數，也要監測電離層、磁層和行星際以及太陽表麵的粒子、場和溫度等等離子體(ti) 參數。

　　“空間天氣監測的手段也多種多樣。”黃聰說，對於(yu) 電磁波，可以使用光學遙感和無線電手段來觀察；對於(yu) 磁場，采用磁通門或磁阻技術來感知；對於(yu) 粒子，可以用半導體(ti) 或靜電分析儀(yi) 的手段來監測。

　　空間天氣研究主要關(guan) 心哪些區域？

　　黃聰告訴記者，主要集中在三個(ge) 區域，空間天氣的源頭——太陽，該區域到地球約1.5億(yi) 公裏；空間天氣傳(chuan) 播與(yu) 演化的日地連線區域——日地行星際和磁層，該區域從(cong) 太陽表麵一直到地麵數千公裏高空；空間天氣的地球響應區域——電離層和中高層大氣，該區域從(cong) 數千公裏高空一直到距地麵20~30公裏高度。

　　“一次完整的空間天氣事件一般具有從(cong) 太陽表麵形成與(yu) 發生、然後在行星際空間傳(chuan) 播和演化、最後在地球電離層和中高層大氣中產(chan) 生影響和效應的規律。”黃聰說，因此，從(cong) 空間天氣業(ye) 務需求來說，需要對從(cong) 太陽—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行必要的監測，監測內(nei) 容包括太陽表麵的活動區、行星際、磁層和電離層中的粒子、電場、磁場和波動等等離子體(ti) 和電磁參數，熱層和電離層中的密度、溫度和速度等流體(ti) 參數。

　　空間天氣的研究對象是地球表麵20公裏以上的空間領域，而這正是大部分的航天、衛星、通信、導航活動發生或依賴的空間領域。因此，災害性的空間天氣會(hui) 對其產(chan) 生直接的影響。

　　據介紹，對於(yu) 航天設備來說，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(luan) 或計算機整機癱瘓，引發機器的異常或故障，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(nei) 部的電路板、導線等位置產(chan) 生電荷堆積，阻礙航天器的正常工作。”黃聰表示，在航天器發射和運行期間，對空間天氣要素進行連續監測和預報，對可能發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

　　邁入了數值化時代，但“剛剛踏進門檻”

　　“空間天氣變化的主要源頭是太陽，‘太陽大氣’劇烈的爆發現象會(hui) 對空間天氣產(chan) 生顯著影響，比如太陽耀斑、日冕物質拋射、太陽質子事件等。”據國家空間天氣監測預警中心高級工程師宋喬(qiao) 介紹，耀斑是太陽表麵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(ge) 電磁波譜，其中極紫外、X射線等高能波段的輻射對地球電離層的影響尤為(wei) 顯著。

　　“太陽的最外層大氣叫作日冕，正如其名字所暗示的，日冕物質拋射會(hui) 將大量的磁化等離子體(ti) 拋向太空，如果擊中地球，可能會(hui) 產(chan) 生地磁暴。而太陽質子事件發生的時候，來自太陽的高能粒子數量會(hui) 迅猛增長，這些能量很高的粒子會(hui) 對空間站和航天員造成威脅。”宋喬(qiao) 說。

　　不過對此，我們(men) 早有準備。去年發射的風雲(yun) 三號E星就攜帶著我國第一台空間太陽望遠鏡——可實現對太陽日冕活動的觀測，有效增強了空間天氣的監測能力，為(wei) 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現了日地因果鏈上“全過程”的自主觀測，可為(wei) 航天器發射及在軌運行提供空間天氣預報及影響評估服務，為(wei) 載人航天任務提供出艙時間窗預報，避免航天員遭遇嚴(yan) 重的太陽高能粒子輻射，為(wei) 航天員提供更高的出艙安全係數。如2008年神舟七號載人飛船指令長翟誌剛，成為(wei) 我國第一位太空出艙的航天員。當時，國家衛星氣象中心就結合空間天氣環境準確預報了出艙窗口時間。

　　我們(men) 的空間天氣預報是如何做出來的？

　　宋喬(qiao) 介紹，空間天氣預報員會(hui) 收集最新的觀測數據，包括各個(ge) 波段的太陽圖像、太陽X射線流量、太陽磁場、地磁指數、電離層狀態等，對這些數據進行綜合分析，然後結合觀測數據、數值模擬等做出預報，與(yu) 首席預報員進行會(hui) 商，從(cong) 而得出空間天氣預報結論，並製作各種預報產(chan) 品。

　　“空間天氣預報產(chan) 品種類很多，包括日報、周報、月報、年報等。”宋喬(qiao) 說，空間天氣日報總結過去24小時的空間天氣情況，並預報未來1-3天的空間天氣狀態，包括太陽活動水平、地磁活動水平以及電離層狀態等；空間天氣周報則是總結最近7天的空間天氣態勢，預報未來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生時，還會(hui) 發布空間天氣預報，讓普通人也可以了解到最新的空間天氣狀態。”

　　如今，空間天氣預報也邁入了數值化時代。“以觀測數據和科學理論為(wei) 基礎，通過太陽表麵物理參數預測耀斑發生的概率、通過數值模型計算太陽風參數等方法正在不斷發展。”宋喬(qiao) 表示，隨著各國探測飛船和衛星的發射，新的觀測數據源源不斷，空間天氣預報水平將穩步提高。

　　“太陽活動有一個(ge) 很有意思的現象，就是大概每11年一個(ge) 周期，有太陽活動高年，也有太陽活動低年。當然，這也隻能說是一個(ge) 趨勢，並不絕對。而且太陽生命久遠，我們(men) 基於(yu) 有限的觀測總結出了11年的周期，但隨著未來的繼續觀測，發現的周期規律也可能會(hui) 改變。”在國家空間天氣監測預警中心空間天氣預報台副台長郭建廣看來，空間天氣預報“剛剛踏進門檻”。