大地磁暴多次“沖上熱搜”！原來太空中也需要“天氣預(yù)報(bào)”——
據(jù)中國氣象局消息 3 月 24 日、25 日和 26 日三天可能出現(xiàn)地磁活動(dòng)。其中 3 月 25 日會(huì)發(fā)生中等以上地磁暴甚至大地磁暴，預(yù)計(jì)地磁活動(dòng)將持續(xù)到 26 日。
相關(guān)消息一經(jīng)發(fā)布，關(guān)于“地磁暴”的話題多次登上各種社交平臺(tái)熱搜。
一些網(wǎng)友還表示，大地磁暴給自己身體帶來了或多或少的影響：
地磁暴是一種典型的太陽爆發(fā)活動(dòng)。當(dāng)太陽爆發(fā)時(shí)，會(huì)發(fā)生日冕物質(zhì)拋射，一次拋射能將數(shù)以億噸計(jì)的太陽物質(zhì)以數(shù)百到數(shù)千米每秒的高速拋離太陽表面。這些物質(zhì)中不光包括巨大質(zhì)量與速度匯聚成的動(dòng)能，還攜帶著太陽強(qiáng)大的磁場能。它們一旦命中地球，就會(huì)引發(fā)地磁場方向與大小的變化，即地磁暴。
電閃雷鳴、刮風(fēng)下雨對(duì)普通公眾來說是再熟悉不過的天氣，但你是否知道，在遙遠(yuǎn)的太空也有“風(fēng)雨”甚至是“海嘯”？這就是空間天氣?？臻g天氣與人類活動(dòng)有什么關(guān)系？除了地磁暴，還有哪些空間天氣？
今天，我們跟隨國家衛(wèi)星氣象中心空間天氣預(yù)報(bào)臺(tái)副臺(tái)長、正研級(jí)高工郭建廣，一起來認(rèn)識(shí)空間天氣與人類探索太空、科學(xué)研究和生產(chǎn)生活的密切聯(lián)系。
專家：
郭建廣
國家衛(wèi)星氣象中心（國家空間天氣監(jiān)測預(yù)警中心）
空間天氣預(yù)報(bào)臺(tái)副臺(tái)長、正研級(jí)高工
詳情請(qǐng)見首都科學(xué)講堂 | 認(rèn)識(shí)空間天氣監(jiān)測預(yù)報(bào)
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認(rèn)識(shí)空間天氣
公眾對(duì)空間天氣的認(rèn)識(shí)，可能大多是從一部電影開始的。2009年，一部災(zāi)難電影《2012》橫空出世，電影中結(jié)合瑪雅人關(guān)于“2021年12月21日世界末日將要來臨”的預(yù)言，描述到由于太陽活動(dòng)的異常，地面的磁場發(fā)生了變化，兩極發(fā)生了倒轉(zhuǎn)，接著山崩地裂、海嘯、地震等災(zāi)難接踵而至。這些災(zāi)難景象使得“世界末日”的謠言甚囂塵上。
▲電影中的“空間天氣”
之后，《地心引力》《火星救援》等，以及近兩年熱映的電影《流浪地球》，都出現(xiàn)了“空間天氣”或者是“太陽風(fēng)暴”的身影。其實(shí)，這些影片中的情節(jié)均出自藝術(shù)家們的想象，但是這些想象中的空間天氣也不乏科學(xué)依據(jù)，其中的很多細(xì)節(jié)都是值得稱道的。
比如在《流浪地球》中出現(xiàn)了多波段觀測的日珥爆發(fā)，以及太陽輻射對(duì)地球的種種影響，都有科學(xué)依據(jù)作為支撐。
其實(shí)，有很多日地聯(lián)系的現(xiàn)象，人們都可以親眼看見。比如下面這張?jiān)诠蕦m中拍攝的日出照片，反映出的就是地球遮擋了來自太陽的光線。
▲故宮中拍攝的日出
我們經(jīng)常會(huì)看到雨后出現(xiàn)彩虹，其原理也與太陽有關(guān)。當(dāng)太陽光照射到半空中的水滴，光線被折射以及反射，在天空上形成拱形的彩虹，由外圈至內(nèi)圈呈現(xiàn)紅、橙、黃、綠、藍(lán)、靛、紫七種顏色，有時(shí)還能形成雨后的雙彩虹。
月球也會(huì)遮擋來自太陽的光線，這時(shí)就會(huì)發(fā)生日偏食，甚至是日全食。
此外，太陽風(fēng)暴還可以導(dǎo)致美麗的極光現(xiàn)象。實(shí)際上，極光并不是地球上獨(dú)有的一個(gè)現(xiàn)象，在太陽系中其他的行星上也會(huì)產(chǎn)生極光。哈勃天文望遠(yuǎn)鏡曾在1998年1月7日同一天拍攝到木星極光和土星極光。跟在地球上一樣，木星極光和土星極光都發(fā)生在南北兩極，這預(yù)示著極光是與行星磁場和大氣緊密相連的。
▲哈勃天文望遠(yuǎn)鏡拍攝到的木星極光（左上圖）、土星極光（右上圖）和天王星極光（下圖）
除了極光外，另外一個(gè)“肉眼”不太常見的現(xiàn)象是太陽黑子。實(shí)際上，我國史書上有很多有關(guān)太陽黑子的目視記錄，僅正史上就有100多次。世界上最早的明確的黑子記錄，是公元前28年我國漢朝人觀測到的。在《漢書·五行志》記載有：“日出黃，有黑氣，大如錢，居日中央。”也就是說在太陽日面中間有一個(gè)像銅錢一樣大小的黑色的斑點(diǎn)。
西方科學(xué)家首先對(duì)太陽進(jìn)行了科學(xué)的觀測。1610年左右，意大利天文學(xué)家伽利略利用自制的望遠(yuǎn)鏡對(duì)太陽進(jìn)行了觀測，觀測到了太陽黑子。他認(rèn)為太陽黑子是太陽上非常普遍的一個(gè)現(xiàn)象。
▲伽利略的太陽黑子觀測記錄手稿
對(duì)太陽黑子的常規(guī)觀測到1818年左右才正式開始，形成了持續(xù)大概400年的太陽黑子觀測記錄。人們對(duì)太陽黑子的觀測揭示了很多有趣的物理現(xiàn)象，比如太陽是自轉(zhuǎn)的、太陽上也存在磁場。
科學(xué)家眼中的太陽跟普通人肉眼看到的太陽是不太一樣的。肉眼看到的太陽非常光滑，偶爾會(huì)有些黑子。如果將觀測太陽的視角不斷地放大，我們就可以看到太陽上有一些不規(guī)則的結(jié)構(gòu)或者叫精細(xì)結(jié)構(gòu)，比如像斑點(diǎn)一樣的米?；蛘叱琢＝M織。
另外，科學(xué)家眼中的太陽還是“五彩斑斕”的。借助不同波段的觀測，科學(xué)家還能看到一些肉眼無法看見的太陽現(xiàn)象，比如太陽耀斑——它是太陽大氣中局部突然增亮的現(xiàn)象。
還有一種現(xiàn)象是日珥，它像太陽的“耳朵”一樣。成因是太陽拋射出的物質(zhì)由于太陽本身的巨大吸引力，又回落到太陽上，從而形成了一個(gè)像耳朵一樣的形狀。
空間天氣是指太陽上和太陽風(fēng)、磁層、電離層、熱層（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狀態(tài)、條件或者事件?？臻g天氣的典型特征為突發(fā)性的、短時(shí)間尺度的、高度動(dòng)態(tài)易變的。
▲空間天氣示意圖
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空間天氣與人類活動(dòng)
人類探索太空的每一步都伴隨著空間天氣，比如我國的嫦娥計(jì)劃、中國空間站、天問一號(hào)火星探測，國外的帕克太陽探測器和旅行者一號(hào)、二號(hào)等。
實(shí)際上在探索宇宙的過程中也不都是一帆風(fēng)順的，經(jīng)常會(huì)“翻車”。比如，2022年美國太空探索技術(shù)公司發(fā)射了一批49顆“星鏈”衛(wèi)星，他們?cè)?jì)劃把衛(wèi)星首先發(fā)射到210千米高度上，但這些衛(wèi)星遭遇了大氣阻力增大50%左右的情況，雖然地面運(yùn)控系統(tǒng)和衛(wèi)星的操控機(jī)構(gòu)做了及時(shí)的響應(yīng)，比如把太陽能帆板翻轉(zhuǎn)90度等措施，但仍然不能阻止衛(wèi)星墜入大氣層的后果。
最終，有39顆衛(wèi)星受到大氣阻力的影響，墜入了大氣層，直接經(jīng)濟(jì)損失超過5000萬美元（約合人民幣3.4億元）。事后復(fù)盤分析表明，這一次墜毀事件和空間天氣密不可分?！靶擎湣毙l(wèi)星在發(fā)射之前，太陽上發(fā)生了一次小小的耀斑，伴隨著日冕物質(zhì)拋射（CME）從太陽上爆發(fā)出來，幾天之后影響到地球，由此產(chǎn)生地磁暴，從而引起了大氣的膨脹和密度增加，對(duì)低軌衛(wèi)星的運(yùn)行軌道產(chǎn)生了影響。
歷史上，有很多航天器因?yàn)榈卮疟┑挠绊懓l(fā)生墜毀事件。比如1973年美國發(fā)射的天空實(shí)驗(yàn)室，原計(jì)劃運(yùn)行10年，但實(shí)際只運(yùn)行了6年多，就是因?yàn)閷?duì)于太陽風(fēng)暴的影響估計(jì)不足。
實(shí)際上，95%的太陽能量都是以太陽光照的形式到達(dá)地球，大部分是以光和熱，比如說光合作用、日曬和天氣的形式。其余的5%則決定了空間天氣，也就是空間天氣的源頭。
▲藝術(shù)家作的一幅畫，形象地表明了太陽是如何影響地球的
空間天氣就好像太陽“吹了一口氣”，或者說“打了一個(gè)噴嚏”，這個(gè)“噴嚏”能夠穿越日地行星際空間來到地球附近，從而對(duì)地球產(chǎn)生影響。
一般來說，太陽打的“噴嚏”對(duì)地球大概有三輪攻擊。首先就是太陽耀斑的影響。太陽耀斑是一個(gè)光學(xué)作用，它以光速的形式影響地球，大概8.5分鐘就能從太陽傳播到地球，能引起地球面向太陽一面的電離層增強(qiáng)。
第二輪攻擊是高能粒子，這些高能粒子用幾十分鐘或者幾個(gè)小時(shí)到達(dá)地球，會(huì)對(duì)衛(wèi)星造成一些致命影響。
第三輪攻擊是等離子體云，也就是所謂的日冕物質(zhì)拋射。它以每秒鐘大概幾百公里的速度飛行，需要三天左右從太陽到達(dá)地球，對(duì)地球產(chǎn)生影響。它主要引起地球磁場的全球性擾動(dòng)，還可能會(huì)引起高能電子暴、等離子體注入等方面的影響。另外它還能引起高層大氣的擾動(dòng)，可能對(duì)低軌衛(wèi)星產(chǎn)生影響。
空間天氣災(zāi)害是人類的“富貴病”，主要影響的都是高技術(shù)系統(tǒng)，如航空、航天、導(dǎo)航通信和管網(wǎng)等。它是指由于空間天氣因素造成天基或地基技術(shù)系統(tǒng)功能下降或者報(bào)廢、航天員等人員健康受到損害，從而導(dǎo)致國民經(jīng)濟(jì)蒙受損失、國家安全受到威脅。
空間天氣災(zāi)害首先影響航天活動(dòng)安全。統(tǒng)計(jì)表明，國外衛(wèi)星故障大約40%與空間天氣條件相關(guān)，我國大致也是如此。1989年9-10月，美國航天飛機(jī)亞特蘭蒂斯號(hào)上的航天員看到高能粒子轟擊視網(wǎng)膜引起的閃光，眼睛受到嚴(yán)重刺激，不得不退回到飛船艙內(nèi)。
空間天氣災(zāi)害還影響航空活動(dòng)安全。飛機(jī)飛行高度大約在1.2萬米時(shí)，航空輻射大概是地面的20-30倍。一次跨越極區(qū)到北美的飛行大概是1次X光胸透的輻射劑量。
空間天氣災(zāi)害還會(huì)影響通信、導(dǎo)航和定位。電離層與無線電是一對(duì)“孿生兄弟”，任何經(jīng)過電離層的電波均會(huì)受到電離層天氣的影響。比如我們的手機(jī)導(dǎo)航定位不準(zhǔn)，大部分誤差都來自電離層。
▲電離層與無線電的關(guān)系
另外，空間天氣災(zāi)害會(huì)影響地面管網(wǎng)。1989年3月13日曾發(fā)生地磁暴，加拿大魁北克電網(wǎng)癱瘓，導(dǎo)致9小時(shí)大停電事件。
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空間天氣預(yù)報(bào)
空間天氣影響到人類生活的方方面面，是否能對(duì)空間天氣災(zāi)害進(jìn)行減緩和防御呢？答案是肯定的。我們可以對(duì)空間天氣進(jìn)行預(yù)報(bào)。
如上圖所示，敘述與天氣預(yù)報(bào)類似，它只是作了定性描述，實(shí)際上我們還需要一些定量描述，比如未來發(fā)生質(zhì)子事件和耀斑發(fā)生的概率、未來發(fā)生地磁暴的概率。此外，我們還要對(duì)一些空間天氣的參數(shù)，比如太陽10.7厘米射電流量進(jìn)行預(yù)報(bào)。
實(shí)際上，地球天氣和空間天氣之間有很多相似的地方，比如地球上有暴風(fēng)、暴雨和雷暴，空間天氣實(shí)際上也有粒子暴、磁層亞暴、電離層暴、熱層暴等。
▲地球天氣和空間天氣的區(qū)別
空間天氣預(yù)報(bào)有一個(gè)基本理論，叫做空間天氣因果鏈。一次完整的空間天氣事件，一般具有從太陽表面形成與發(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(yīng)的規(guī)律。因此，從空間天氣業(yè)務(wù)需求來說，需要對(duì)從太陽—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(qū)域進(jìn)行必要的監(jiān)測。
空間天氣預(yù)報(bào)最核心的內(nèi)容是對(duì)太陽活動(dòng)進(jìn)行預(yù)報(bào)，然后對(duì)地球的一些效應(yīng)進(jìn)行預(yù)報(bào)?？臻g天氣預(yù)報(bào)的主要方法就是利用周期性和重現(xiàn)性。
大概400年前，人類就開始觀測太陽黑子，形成了非常漫長的歷史記錄。我們?cè)趯?duì)太陽黑子長時(shí)間的觀測中發(fā)現(xiàn)，太陽活動(dòng)有一個(gè)11年的周期。
我們還發(fā)現(xiàn)了太陽活動(dòng)有季節(jié)的變化。比如春分和秋分的時(shí)候，地球上的地磁活動(dòng)也會(huì)產(chǎn)生各種不同的影響。同時(shí)，地磁有一個(gè)以27日為周期的活動(dòng)重現(xiàn)性，這與太陽自轉(zhuǎn)息息相關(guān)。
實(shí)際上，空間天氣預(yù)報(bào)就是根據(jù)觀測資料和預(yù)報(bào)模式，對(duì)未來的太陽活動(dòng)、行星際、磁層、電離層、中高層大氣中關(guān)鍵要素做出預(yù)警和預(yù)報(bào)。
空間天氣預(yù)報(bào)的主要業(yè)務(wù)流程包括從天基和地基觀測網(wǎng)接收數(shù)據(jù)，進(jìn)行數(shù)據(jù)質(zhì)量控制，然后進(jìn)行模型計(jì)算和人工訂正。
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業(yè)務(wù)創(chuàng)新與未來展望
大約2000年前后，國家衛(wèi)星中心和國家氣象中心開始進(jìn)行空間天氣的業(yè)務(wù)試驗(yàn)。2002年6月1日，國務(wù)院批準(zhǔn)中國氣象局成立國家空間天氣監(jiān)測預(yù)警中心。2004年7月1日，我國開始了空間天氣相關(guān)的業(yè)務(wù)運(yùn)行，正式對(duì)外發(fā)布空間天氣預(yù)報(bào)。2010年1月，國務(wù)院頒布《氣象災(zāi)害防御條例》（中華人民共和國國務(wù)院令第570號(hào)），第三十三條規(guī)定，各級(jí)氣象主管機(jī)構(gòu)應(yīng)當(dāng)做好太陽風(fēng)暴、地球空間暴等空間天氣災(zāi)害的監(jiān)測、預(yù)報(bào)和預(yù)警工作。2015年11月27日，中國氣象局成立國家空間天氣預(yù)報(bào)臺(tái)。2021年的11月，（國際民航組織）全球空間天氣中心成立。
國家空間天氣監(jiān)測預(yù)警中心的主要職責(zé)：一方面規(guī)劃我國空間天氣的監(jiān)測布局，另一方面發(fā)布空間天氣現(xiàn)報(bào)、警報(bào)與預(yù)報(bào)，還有為航天、導(dǎo)航、通信等應(yīng)用部門服務(wù)，為國家安全服務(wù)。
目前國家空間天氣監(jiān)測預(yù)警中心建設(shè)了監(jiān)測、預(yù)報(bào)和服務(wù)三位一體的業(yè)務(wù)體系，基于風(fēng)云三號(hào)和四號(hào)衛(wèi)星的監(jiān)測，我國首次實(shí)現(xiàn)了從太陽爆發(fā)到地球空間環(huán)境響應(yīng)“全過程”的自主監(jiān)測；通過發(fā)展自主的預(yù)報(bào)技術(shù)體系，不斷完善預(yù)報(bào)規(guī)范體系，空間天氣預(yù)報(bào)的精細(xì)化和準(zhǔn)確率大大提高，預(yù)報(bào)準(zhǔn)確率與國際水平相當(dāng)；服務(wù)對(duì)象廣泛，為神舟飛船、嫦娥探月計(jì)劃、北斗系統(tǒng)、國家電網(wǎng)和民航空間天氣保障等提供服務(wù)。
未來，國家空間天氣監(jiān)測預(yù)警中心將繼續(xù)推進(jìn)日地因果鏈全過程自主監(jiān)測，發(fā)展我國第一代“全鏈路”日地空間天氣數(shù)值預(yù)報(bào)業(yè)務(wù)系統(tǒng)，持續(xù)提升空間天氣服務(wù)能力，保障國家安全和經(jīng)濟(jì)社會(huì)發(fā)展。
▲我國第一代“全鏈路”日地空間天氣數(shù)值預(yù)報(bào)業(yè)務(wù)系統(tǒng)示意圖
（來源：首都科學(xué)講堂，部分內(nèi)容來自央視一套）
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