宇宙天氣預報

2003年10月24日，日本通信綜合研究所發布的太陽地球環境預報說：“太陽活動正處于由平穩轉向活躍的狀態，預計今后將更加活躍”。這時太陽表面出現大片的黑子區域。4天后的10月28日，太陽表面發生巨大的耀斑爆發。這個耀斑輻射大量的X射線，其規模居于自1975年觀察以來的第二位。

在耀斑爆發期間，太陽表面不單輻射X射線，還以迅猛的速度釋放由質子或電子組成的等離子體。由于從地球上看耀斑幾乎是在太陽的正面發生，所以耀斑發生8分鐘后X射線直接襲擊地球，19小時后等離子體像云塊那樣到達。這個耀斑引發了各種異常現象。

耀斑發生的次日即29日夜，北海道的長野縣等地觀測到帶有紅色特征的低緯度極光。據說在歐洲、澳大利亞以及美國的佛羅里達、夏威夷等地也可看到極光。

耀斑發生幾小時后，擔負日本航天研究所（JAXA）的數據中繼衛星“回聲”的姿態控制傳感器發生異常，為此JAXA將其切換到更為安全的模式，以避免受耀斑的更大影響。

其他各種衛星也受到這個耀斑的影響。NASA環繞火星的奧德賽輻射線探測器發生異常；歐洲宇航局飛向月球的探測衛星“SMART—1”的發動機自動停止，可見耀斑影響力之大。

另外，也有人認為JAXA的“綠色2號”環境觀測衛星也因在10月31日受到太陽耀斑的損害而棄用。但是那是23日發生的另一次耀斑，其規模雖然沒有28日的大，但還是遠比通常發生的耀斑大。其輻射的等離子體使地球磁場變得十分強，由此可以推測“綠色2號”的故障與太陽的耀斑存在某種聯系。另外，因為這個耀斑的原因，NASA的錢德拉X射線天文衛星從24日起關閉，停止觀測一天。

輻射威脅航天員

來自太陽的等離子體，侵害的不止是人造衛星。因為飛來的質子是放射線的一種，逗留在空間站或宇航飛機內的航天員也有遭受輻射的危險。在10月末發生的耀斑中，地面指揮中心要求空間站內的航天員藏身在受輻射影響小的地方。

2001年，由于耀斑爆發，美國中止了預定在航天飛機上進行的艙外行走計劃。

射線使衛星錯誤動作

那么，巨大的太陽耀斑發生時，究竟會引起多大的影響呢？首先，如前所述，巨大的太陽耀斑發生時，會釋放大量的X射線或質子和電子的放射線。如果人造衛星受到大量放射線的襲擊，就可能遭受大的損害。因為質子帶正電荷，會引起非常小的放電現象，使半導體器件誤以為電信號，導致其內部的訊號顛倒。

這樣的現象如果是小規模的——在平時就可能發生——不至于引起大的信號顛倒，造成人造衛星的程序失常。但是如果受大量質子輻射的話，則可能使信號顛倒，讓衛星錯誤動作。通常研究人員無奈地將此稱為“幽靈指令”。

1994年2月22日，日本NHK在衛星直播挪威利勘哈默爾冬奧會的跳躍滑雪比賽時信號突然中斷，原因就是幽靈指令使衛星的太陽電池板以平時32倍的速度高速旋轉，造成了電力供應不足。

質子輻射還會使人造衛星的太陽電池板受到質子等粒子碰撞從而老化的例證。1989年的8、9、10三個月太陽發生大的耀斑。從日本的向日葵氣象衛星的太陽電池的輸出圖像來看，每次耀斑發生后一年左右，太陽電池板就老化了。如果能準確預測飛來的太陽耀斑射線，那么通過地面指令，稍微挪動一下太陽電池板的角度，就能減輕這種損傷。

等離子體造成停電

發生大的耀斑后，存在于太陽周邊日冕的等離子體成團地向地球飛來。這個被稱為CME（日冕物質拋射），通常2天左右到達地球磁層。2003年10月28日發生的耀斑比預料的還快，近19個小時就到達地球，速度超過每秒2 000千米。

如果CME到達地球，等離子體會流向在地球磁層的兩極，頻繁地引起強烈極光。極光中流過的大電流，會使地面上的輸電線設備和鐵等制造的管線產生強大的感應電流。1989年3月13日，加拿大魁北克省就因太陽耀斑爆發，等離子團引起大規模的極光。同時因產生強大的感應電流，把變壓器燒毀造成大面積的停電，約100萬人受到影響。

另外，這種感應電流會加速金屬的電化學腐蝕，造成管線破損泄露事故。

磁暴產生極光

極光是沿著地球磁場線涌入兩極的電子或質子與高層大氣中的氧和氮等發生碰撞引起的發光現象。所以極光一般只有在高緯度的地區才能看到。但是，如果太陽發生強烈耀斑（磁暴），像日本那樣低緯度的國家也可以看到極光。

觀看兩極的極光的極光，就像觀賞“戴”在高緯度地區的戒指似的。大的磁暴引起的這個環越大，能夠看到極光的地區的緯度也越低。順便指出，極光上部是紅的，在低緯度地區看到紅色極光是因為地球是圓的，其他色光在穿越較厚的大氣時被散射了。

在極光出現的高緯度地區，質子或電子輻射嚴重，連接美國與日本的高緯度航線上飛機的乘客或駕駛員很可能遭放射線輻射。為保證安全，2003年10月末發生耀斑之際，美國聯邦航空局對高度7.6千米（通常飛機的飛行高度時10千米）以上的飛行發出警告。另外，從28日到30日臨時關閉了北緯57°以北的航線。

磁暴還產生意想不到的影響。因極光產生的熱使空氣受熱上升，增加了繞地衛星的大氣阻力。日本當時的“飛鳥”X射線天文衛星正在大約400千米的軌道運轉，由于2000年7月16日發生的磁暴使軌道處的大氣密度增多，阻力增大，造成姿態失去控制，軌道降低，結果于次年3月沖進大氣層燒毀。

電離層暴使GPS失常

由CME引起的磁暴還會造成電離層暴。一旦引起電離層電磁暴，會干擾人造衛星與地面的無線電通信，在通信中發生誤差。由此就會造成氣象衛星的圖像紊亂或GPS的定位出現誤差。如果GPS出現偏差，那么汽車或者飛機等的導航系統就會受到影響。

類似的事故還可由太陽耀斑中的X射線引起。如果來自太陽的X射線到達地球，會干擾電離層的底層。由于飛機或船舶無線電等利用的短波通信是通過這個電離層的底層將電磁波反射，使電磁波傳向遠方。一旦受到干擾就無法通信。據說2003年10月末發生的耀斑，曾使飛越大西洋的航班和地面指揮中心失去聯絡。

防災于未然

太陽活動對地球和太空探索有不可估量的影響。為了減小上述這些影響，新的“宇宙天氣預報”正在興起。如果能預測到在太陽表面即將發生的耀斑，準確發出警報；將可及時把空間站轉移到受輻射影響小的地方，保證航天員免受輻射；把可能因輻射導致錯誤動作的衛星切換到安全模式，事先做好應對工作。為了預報這些現象，首先要正確地觀測到太陽發生的耀斑或CME，接著要通過計算機模擬程序預測可能發生什么。

它的方法與“地上的”天氣預報類似。在地上的天氣預報，通常是先收集各地觀測的氣壓、溫度、風向等氣象信息，和過去的數據等為基礎進行模擬并作出預測。

現在我們已經能通過互聯網看到宇宙天氣預報。日本通信綜合研究所以獨立觀測的信息為基礎，綜合NASA（美國國家航空航天局）或NOAA（美國海洋大氣層局）等世界性機構公開的數據，作為日常事務進行預報活動。

另外，日本名古屋大學的太陽地球研究所正在公開以高緯度地區為主的電壓分布、帶電粒子流的實時宇宙天氣圖。

提高預報精度

關于今后的宇宙天氣預報，太陽地球環境研究所的上出所長說：“現在的宇宙天氣預報除了預測在什么地方可能發生什么外，尚無法預測更細微的現象。要預先更詳細的現象，需要研究更先進觀測技術和模擬技術。

為了詳細理解太陽地球間發生的現象，通信綜合研究所與名古屋大學正在進行太陽風（等離子體等的流向）對地球磁場影響的模擬研究。

另外，北海道大學的渡邊教授正在研制日本上空的電離層出現什么樣變化的模擬。如果這個計劃實現，就能夠預測幾天內日本上空的宇宙天氣。在這項模擬試驗中使用了國家地理院為測定地形的形變在全國攝制的GPS數據。GPS的數據從人造衛星取得，由于這個信息會隨大氣或電離層的變化而波動。反過來說，從GPS數據的波動變化，我們可以知道在大氣發生了什么。

提高預報的精度除了提高這種模擬技術外，還要提高太陽或地球磁層的觀測精度。另外，與設置更多的觀測點可以提高地球天氣預測的精度一樣，如果能用更多的人造衛星觀測宇宙空間，則有可能獲得更精確的宇宙天氣的信息。

總之，我們的生活與太陽息息相關，為了保護我們的生存環境，經常監視太陽，提高“宇宙天氣預報”的精度是非常必要的。