新興的宇宙天氣預(yù)報(bào)

21世紀(jì)除了宇宙工廠、宇宙農(nóng)場(chǎng)之外，宇宙醫(yī)療中心以及宇宙居民點(diǎn)也將在宇宙空間相繼建立起來。21世紀(jì)宇宙天氣預(yù)報(bào)對(duì)航行、工作、生活在宇宙空間的人們將是不可缺少的。因此，“宇宙氣象學(xué)”作為一門新的學(xué)科，將會(huì)迅速發(fā)展起來。

警報(bào)拉響

日本通信號(hào)綜合研究所曾向公眾發(fā)布了一條特殊的預(yù)報(bào)：“太陽活動(dòng)從平穩(wěn)轉(zhuǎn)向活躍的狀態(tài)，預(yù)計(jì)未來幾天將更加活躍?！边@條關(guān)于太陽系的天氣預(yù)報(bào)對(duì)地球上的我們有什么價(jià)值嗎?

研究所的研究人員做㈩這個(gè)預(yù)報(bào)，是因?yàn)樘柋砻娉霈F(xiàn)了大片的黑子區(qū)域，預(yù)報(bào)發(fā)出4天后，太陽表面出現(xiàn)了巨大的耀斑。這個(gè)耀斑不但輻射出大量的射線，而且伴隨著這個(gè)耀斑，從太陽表面還以迅猛的速度釋放出由質(zhì)子和電子組成的等離子體。山于這個(gè)耀斑發(fā)生的位置正對(duì)地球，所以在耀斑發(fā)生后8分鐘，X射線直接襲擊了地球，19小時(shí)后等離子體像云朵一樣到達(dá)地球。

其他各種衛(wèi)星也受到這個(gè)耀斑的影響。美國宇航局環(huán)繞火星飛行的奧德賽號(hào)探測(cè)器也發(fā)生異常，歐洲宇航局的月球探測(cè)衛(wèi)星“SMART-l”的發(fā)動(dòng)機(jī)自動(dòng)停止。另外，被日本JAXA棄用的環(huán)境探測(cè)衛(wèi)星“綠色2號(hào)”也受到耀斑輻射的等離子體襲擊，使太陽能電池板的電力降低。太陽耀斑不僅影響了人造衛(wèi)星，由于飛來的質(zhì)子是放射性的，逗留在國際空間站或航天飛機(jī)上的宇航員也有遭到輻射的危險(xiǎn)。在這次耀斑發(fā)生的過程中，地面人員發(fā)出指令，讓空間站的宇航員盡量藏身在受輻射影響小的地方，以避免可能㈩現(xiàn)的危害。

太陽耀斑的影響

那么，巨大的太陽耀斑發(fā)生時(shí)，究竟會(huì)造成怎樣的影響呢?

首先，耀斑發(fā)生時(shí)，大量釋放X射線或質(zhì)子、電子放射線。這些放射線一旦進(jìn)入搭載在衛(wèi)星上的半導(dǎo)體，就會(huì)引起非常微小的放電現(xiàn)象。結(jié)果，半導(dǎo)體會(huì)誤以為放電是電信號(hào)，于是發(fā)生錯(cuò)誤指令，衛(wèi)星發(fā)生故障。

這樣的現(xiàn)象如果是小規(guī)模的，不會(huì)引起大的信號(hào)故障。但是，如果衛(wèi)星遭受大量質(zhì)子輻射的話，信號(hào)顛倒的現(xiàn)象就會(huì)發(fā)生，使衛(wèi)星發(fā)生重大的錯(cuò)誤動(dòng)作，通常，研究人員無奈地將此種信號(hào)稱為“幽靈指令”。1994年冬季奧運(yùn)會(huì)時(shí)就發(fā)生了這樣的一幕，滑雪比賽的轉(zhuǎn)播突然中斷了，原因是幽靈指令使轉(zhuǎn)播衛(wèi)星的太陽能電池板比平時(shí)高30多倍的速度旋轉(zhuǎn)，造成電力降低。

還有一個(gè)危害足，太陽電池板受到質(zhì)子等粒子碰撞加速老化。盡管是分子或原子級(jí)的大量粒子碰撞表面，但逐漸使太陽電池性能降低。例如1989年因太陽發(fā)生大的耀斑，致使日本的“向日葵”氣象衛(wèi)星的太陽電池板僅一，年左右就老化了。如果觀測(cè)耀斑能預(yù)計(jì)放射線的飛來，提前發(fā)布宇宙天氣預(yù)報(bào)的話，則稍微挪動(dòng)，下太陽電池板的角度，就能減輕損傷。

太陽發(fā)生大的耀斑時(shí)，存在于太陽周邊日冕的等離子體會(huì)成塊地飛向地球，速度為每秒1000～2000米，這被稱為日冕物質(zhì)拋射，通常兩天左右就到達(dá)地球。等離子體與地球磁場(chǎng)作用，頻繁地引起強(qiáng)烈的極光。極光中有大的電流，使地面上的輸電線或鐵制管線里產(chǎn)生感應(yīng)電流，把變壓器燒毀，引發(fā)大面積停電。另外，鐵管通電后，更容易被腐蝕，因此頻繁出現(xiàn)感應(yīng)電流，使鐵管泄漏，例如1989年3月13日加拿大發(fā)生的磁暴引起大規(guī)模的極光，與此同時(shí)加拿大的輸電線因變壓器的燒毀造成大面積的停電，約100萬人的生活受到影響。

再者，極光電流發(fā)出的熱使空氣溫度上升。暖空氣向高空流動(dòng)，增加了對(duì)圍繞地球軌道運(yùn)轉(zhuǎn)的人造衛(wèi)星的大氣摩擦。在2000年日本“飛鳥”X射線衛(wèi)星由于大氣摩擦增加，姿態(tài)失去控制，軌道高度不斷降低，最終沖入大氣層內(nèi)燒毀。

另外，由日冕物質(zhì)拋射引起的磁暴進(jìn)一步成為電離層暴的原因。一旦引起電離層暴，連接人造衛(wèi)星與地上的電波產(chǎn)生起伏，在通信中發(fā)生誤差，由此造成氣象衛(wèi)星的圖像紊亂或GPS的定位發(fā)生誤差，造成汽車或飛機(jī)的導(dǎo)航系統(tǒng)受到影響，類似的事故也可由X射線引起。太陽發(fā)出的X射線到達(dá)地球，會(huì)干擾電離層的底層，由于飛機(jī)、船舶的無線通信是通過這個(gè)電離層的底層，一旦受到干擾就無法通信。

宇宙天氣也能預(yù)報(bào)

為了使人類在地球上的活動(dòng)不受太陽下擾，人類可以更安全地探索宇宙，新興的“宇宙大氣預(yù)報(bào)”正在悄然崛起。如果能搶先觀測(cè)到太陽發(fā)生的耀斑，就能夠提前做出質(zhì)子飛來的警報(bào)，并及時(shí)轉(zhuǎn)移空間站的宇航員，把可能導(dǎo)致錯(cuò)誤動(dòng)作的衛(wèi)星切換到安全模式，應(yīng)對(duì)即將到來的危險(xiǎn)。

為了對(duì)付來自太陽的襲擊，人們想到了要做宇宙天氣預(yù)報(bào)。要做預(yù)報(bào)，就先要準(zhǔn)確地觀測(cè)太陽的一舉一動(dòng)，然后通過計(jì)算機(jī)模擬，預(yù)測(cè)太陽未來的變化。這種方法其實(shí)和地球上的天氣預(yù)報(bào)類似，氣象臺(tái)先觀測(cè)地球的氣壓、溫度、風(fēng)向等狀況，然后根據(jù)這些數(shù)據(jù)進(jìn)行模擬做出預(yù)測(cè)。

宇宙天氣預(yù)報(bào)的任務(wù)是根據(jù)地球上觀測(cè)網(wǎng)和人造衛(wèi)星觀測(cè)的數(shù)據(jù)進(jìn)行綜合分析之后，迅速預(yù)測(cè)出與太陽活動(dòng)相關(guān)連的宇宙環(huán)境變化情況，并把它傳送到宇宙基地，根據(jù)宇宙天氣預(yù)報(bào)，人們可以得知太陽X射線預(yù)報(bào)、耀斑粒子線預(yù)報(bào)、放射線預(yù)報(bào)以及等離子環(huán)境預(yù)報(bào)。提供這種宇宙環(huán)境變化的情報(bào)，不僅對(duì)參與宇宙開發(fā)的人，而且對(duì)從事宇宙學(xué)術(shù)研究或觀測(cè)活動(dòng)的學(xué)者也是大有裨益的。

如今，日本名古屋大學(xué)的太陽地球環(huán)境研究所已經(jīng)制作出了實(shí)時(shí)的地球高緯度地區(qū)電壓分布、帶電粒子流的宇宙天氣圖。不過，這個(gè)研究所的科學(xué)家承認(rèn)，現(xiàn)在的宇宙天氣預(yù)報(bào)除了預(yù)測(cè)在什么地方可能發(fā)生異常外，還無法預(yù)測(cè)更細(xì)節(jié)的現(xiàn)象。為了讓宇宙天氣預(yù)報(bào)更加實(shí)用，除了提高現(xiàn)有的模擬技術(shù)外，有必要提高太陽或地球磁層的觀測(cè)精度。同時(shí)，期待有更多的人造衛(wèi)星觀測(cè)宇宙空間發(fā)生的現(xiàn)象，就有可能獲得更精確的宇宙天氣信息。

目前，美國科學(xué)家正引入一種新的氣候預(yù)報(bào)體系——電離層氣候預(yù)報(bào)，通過對(duì)距離地面80千米以外的電離層的監(jiān)控，為航班飛行、無線通訊等提供早期預(yù)警。莫斯科應(yīng)用地球物理學(xué)研究所近日設(shè)立“宇宙天氣”預(yù)報(bào)站，它將每日向莫斯科居民通報(bào)太陽表面的活動(dòng)情況及其可能對(duì)地面通信和人體健康產(chǎn)生的影響。

總之，我們的生活與宇宙息息相關(guān)，為了在太陽劇烈的影響中守護(hù)我們的地球，我們必須經(jīng)常監(jiān)視太陽，預(yù)測(cè)宇宙的天氣變化。

[責(zé)任編輯] 蒲 暉