空間天氣如何影響人類

文/ 李會超

3月29日，美國白宮發布新聞稿，公布新一版的《國家空間天氣戰略與行動計劃》，并稱將以此為指導，進一步加強美國應對空間天氣事件的能力。

在奧巴馬執政期間，美國曾經制定過《國家空間天氣戰略》和《國家空間天氣行動計劃》。2016年，即將卸任的奧巴馬總統還簽署了題為《協調努力為國家做好空間天氣事件的準備》的總統行政命令，進一步強化美國聯邦政府應對空間天氣事件的目標和措施，以及各政府部門與機構的具體職責。

空間天氣由太陽活動控制，太陽爆發產生的電磁波、高能粒子和高速等離子體經過行星際空間的傳播到達地球，在地球磁層、電離層和中高層大氣中誘發一系列劇烈變化，進而使空間天氣變得惡劣。實際上，隨著航天活動增多及其相關應用的推廣普及，空間天氣這種太空中的“陰晴雨雪”，對人類社會的正常運作產生的影響正與日俱增。同時，空間天氣還能對電網造成破壞性影響，從而對社會運行所依賴的基礎設施產生致命性的影響。

▲ 美國《國家空間天氣戰略與行動計劃》封面

航天器的隱形殺手

1991年5月，上天僅半年的我國風云一號B衛星忽然開始失控翻轉，在控制人員發現并采取措施時，衛星上的推進劑早已噴完，設計壽命為1年的衛星僅過了半年便不得不提前報廢。而2003年10月至11月期間，日本的對地觀測衛星ADEOS-2與地面失聯后報廢，遠在火星的火星奧德賽號探測器上的一個科學載荷也意外停止工作，無法恢復，不少其他衛星也紛紛退出正常工作狀態，轉入安全模式避險。而造成這一切的，則是太陽高能粒子和地球附近的熱等離子體。在空間天氣狀況惡劣的情況下，他們的出現將會非常頻繁，對航天器安全產生威脅。

太陽高能粒子的來源主要有兩個，一個是太陽上爆發的耀斑，這種太陽表面能量快速釋放的現象所產生的高能粒子，往往只需要幾十分鐘就可以到達地球，而轟擊地球的持續時間從幾小時到幾天不等。另一個則是太陽上噴發的高速等離子體團，空間天氣學家們將其稱為“日冕物質拋射”。在日冕物質拋射向地球傳播的過程中，會推動擠壓行星際空間中阻擋它前進的等離子體，產生與它一起向前傳播的行星際激波。行星際激波為高能粒子的產生提供了加速器，當行星際激波到達地球后，就會引起地球附近的高能粒子通量增強。同時，日冕物質拋射能夠誘發地磁暴，將熱等離子體注入到地球磁層系統當中。

對于航天器上的微電子元器件來說，最為懼怕的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、電路功能混亂或計算機整機癱瘓，引發衛星的異常或故障，甚至將衛星徹底摧毀。而能量相對低一些的高能粒子，則可以在航天器內部的電路板、導線等位置產生電荷堆積，阻礙航天器的正常工作。雖然熱等離子體的單個粒子能量不及高能粒子，無法侵入航天器內部，但它們在航天器表面的堆積同樣會引發表面充放電效應，干擾航天器正常運行甚至造成損傷。

▲ 一次太陽耀斑事件

對于在太空中工作的航天員，高能粒子也是他們生命健康的嚴重威脅。如果耀斑和日冕物質拋射等太陽風暴影響地球期間，航天員不按照當時的高能粒子通量水平采取審慎的防護措施，他們就有可能受到劑量超標的輻射。2003年10月～11月連續太陽風暴爆發期間，國際空間站的航天員們就轉移到了防護性能更好的艙段中躲避危險。

空間站提前墜落的元兇

地球大氣的密度隨著高度的增加而迅速減小，在LEO軌道幾百公里的高度上已經相當稀薄。然而，對于高速運動的航天器來說，這里的大氣阻力仍然是不可忽視的。如果不主動使用發動機進行軌道維持，航天器的軌道就會不斷衰減，軌道高度越來越低，最終隕落。太陽耀斑產生的電磁輻射，和日冕物質拋射誘發的地磁暴對中高層大氣的加熱，都會使LEO軌道上的大氣密度比正常情況下有所增加，航天器在此影響下必須進行額外的軌道維持，否則就可能遭遇不測。

美國“天空實驗室”提前墜落就是這一效應最典型的案例。天空實驗室是美國的第一代空間實驗室。按照美國宇航局（NASA）的計劃，這個1973年發射的空間站本應該工作到上世紀八十年代，與航天飛機一同開展空間試驗。然而，NASA在七十年代中期對太陽活動的預報出現了偏差，又對美國國家海洋和大氣管理局（NOAA）等與它平行的政府部門的警告充耳不聞。在阿波羅飛船最后一次造訪天空實驗室時，沒有對天空實驗室進行足夠的軌道維持。在愈發頻繁的太陽風暴吹襲下，地磁暴不斷發生，天空實驗室軌道上的高層大氣密度增大使得其軌道失控式的衰減。同時，美國的載人航天器正處在青黃不接的當口：航天飛機的研發測試尚未完成，而阿波羅飛船已經退役，美國無法發射飛船救援天空實驗室，使得其最終在1979年提前隕落。

▲ 天空實驗室

此外，空間天氣產生的影響，還會使得中高層大氣的密度變得更加難以預測。對于交會對接這類需要進行軌道精準控制的操作，在大氣密度的實際值與預測值偏差較大的情況下，飛行器的實際飛行軌跡與預測的軌道就可能出現較大偏差，需要耗費更長的時間來不斷修正軌道，才能完成對接。

衛星定位與無線電通信的干擾源

在距離地面60～1000公里的區域中，存在著由帶電粒子組成的電離層。無線電信號能否穿過電離層、穿過電離層時信號參數發生的變化，都與電離層的性質有關。例如，短波信號能夠跨越大洲傳播，利用的就是電離層對這個頻段無線電信號的反射；而地面與衛星通信時，則必須使用能夠穿透電離層的高頻信號。電離層性質，主要受到太陽活動的影響。一旦有耀斑發生，電離層的性質在耀斑發生的同時就會馬上產生變化，而日冕物質拋射吹襲地球時，引起的地磁暴同樣會誘發電離層性質的變化。

地面設備在接收北斗、GPS等衛星定位系統所發射的定位信號，并由此推算位置信息時，已經考慮了電離層在一般情況下的性質。而一旦電離層的性質由于空間天氣原因發生變化，定位信號的實際變化情況就會和設備中預置情況產生差異，定位設備的定位精度就會因此下降。對于日常生活中的手機定位，由于定位精度的要求不高且能夠借助手機基臺的位置進行較差定位，因此不會明顯的感受到空間天氣的影響。然而，對于定向鉆井等野外高精度作業和借助GPS實現的新一代航空導航與儀表降落系統來說，電離層變化因此的定位精度降低足以干擾他們的正常工作。

2001年，搜救中美撞機事件的我方部隊的無線電通信忽然中斷兩個小時，給搜救工作造成了一定影響。后經專家分析，造成這一問題的原因就是電離層因太陽風暴而發生的變化。雖然遠距離無線電傳輸在一般人的日常生活中已經很難接觸到，但在軍事和一些其他專業領域中，這種受電離層影響的通信方式仍然是不可替代的。對于應用遠距離無線電通信的部門來說，空間天氣狀況是他們必須關心的信息。

摧毀高壓電網的幕后黑手

在越南戰爭中，美軍曾經施放了大量水雷，用以封鎖越南的港口。1967年的一天，部署在越南防城港附近海域中的四十顆美軍水雷，忽然在沒有船只經過的情況下發生自爆，爆炸產生的連環效應最終引爆了4000多顆水雷。

▲ 使用各個波段對一次日冕物質拋射的聯合觀測

這些水雷的爆炸并不是越南特工的“杰作”，而是源于日冕物質拋射引發的地球磁場變化。日冕物質拋射中裹挾的太陽磁場，在方向合適時能夠“剪斷”地球磁場的磁力線，將等離子體注入到地球磁場系統中，并將地球磁場的磁力線由朝向太陽的一側拉扯到背向太陽的一側。在這個過程中，整個地球磁場都會發生劇烈的變化，空間天氣學家們將這種現象稱為“地磁暴”。美軍的水雷利用船只經過時引起的磁場變化探測敵方船只，一旦磁場變化的速度超過某一閾值便會將自身引爆。然而，當地磁暴發生時，水雷將地磁暴引起的磁場變化誤認為是船只經過的磁場變化，因而引爆。

地磁暴對當代社會更大的威脅，在于其可能對電網產生的破壞。地磁暴引起的磁場的劇烈變化會在長距離高壓輸電線中產生強烈地磁感應電流，引起電網供電不穩或徹底崩潰。1989年3月的地磁暴使得加拿大魁北克地區的電網癱瘓，數百萬人在寒冷中度過了沒有電能供應的夜晚。如果更加強烈的太陽風暴來襲，燒毀電網大型核心變壓器，電網將就會發生長時間的癱瘓。這是因為這些大型核心變壓器多為特別定制產品，沒有現成的貨架備份可供替換，一旦損壞，短時間內無法找到備件替換。電能是現代社會運作的基本條件，一旦失去供電，整個社會的運轉便會陷入停滯。據風險評估研究得出的結論，一次超強太陽風暴引起的大停電，將會給北美地區帶來數萬億美元的巨大損失。

▲ 極光是太陽風暴給地球的饋贈，然而強烈的極光活動也意味著電網風險的增加

▲ 魁北克大停電事故中被燒毀的變壓器

雖然特朗普上臺后對奧巴馬任職期間的政策多采取消極態度，但在空間天氣這一問題上卻延續了奧巴馬政府所形成的既定方針。在3月29日白宮發布的新聞稿中稱，特朗普總統為重振美國在太空中的領導地位“采取了果斷行動”，發布的新版的《國家空間天氣戰略與行動計劃》是實現特朗普目標的舉措之一。在這份計劃中，美國國家科技委員會提出了“空間天氣有備國家”（space weather-ready nation）的概念，為現階段國家層面應對空間天氣的行動指明了三個重點方向：一是要針對國家安全、國土安全（即美國本土安全）和商業設施與運作中容易受空間天氣影響的部分，加強其自身的防護能力；二是發展及時而準確的空間天氣監測與預報能力，為全社會應對空間天氣事件提供關鍵信息與指導；三是制定空間天氣事件后的災后恢復方案，使遭受不可抗的空間天氣災害后，相關部門能夠按照預先研究論證過的預案和行動步驟，有條不紊的應對災害造成的損害。如果該計劃中提出的方案都能實施落地的話，美國有望在該領域繼續保持其先進地位。