太陽“打噴嚏”，航天器“躺槍”

文/杜駿豪

▲1991 年5 月發現號航天飛機拍攝的南極極光

人類的航天活動日益頻繁，意味著需要應對的空間天氣危害挑戰越來越多。

幽幽的極光是獨特的自然景觀，一般情況下只有在南北極高緯度地區的人們才能有幸一覽其芳華。極光的出現需要3 個條件：大氣、磁場與高能帶電粒子。太陽不斷向太空拋射出帶有巨大能量的帶電粒子，當這些粒子來到地球附近時，被地球強大的磁場干擾，飛向南北兩極，與大氣分子摩擦碰撞后便產生了極光這一現象。除了絢爛多彩的極光外，仍有一些人們肉眼不可見的暗流在涌動，來自太陽的高能帶電粒子與地球磁場相互作用，滋生出地球電離層、磁層和中高層大氣的種種變化。人們將這種日地空間與太陽活動密切相關的變化現象統稱作空間天氣。

▲2021 年9 月法國航天員Thomas Pesquet 在國際空間站拍攝的極光

美國在1994 年11 月將“空間天氣”定義為：太陽附近和太陽風、地球磁層、電離層及熱層中影響空間、地面技術系統的運行和可靠性并危害人類健康和生命的條件?？臻g天氣的形成機理復雜，太陽風等過度劇烈的太陽活動會引發地磁暴、熱層暴、外范·艾倫輻射帶膨脹、電離層性狀改變等多種危害，危及地表人類的正常生活，干擾近地空間衛星的正常工作，甚至對在外太空的航天員生命構成威脅。

太陽：狂躁的萬物之母

大氣層內的傳統天氣變化歸根結底還是太陽的變化。距離太陽近、日照時間長為夏季，距離太陽遠、日照時間短則為冬季。所謂“寒來暑往，秋收冬藏”、“云騰致雨，露結為霜”，甚至洪澇災害、旱災、蝗災等自然災害也都與太陽活動密不可分。

空間天氣這一新興概念更是與太陽活動有直接關聯。太陽不間斷地進行核聚變反應，同時不間斷地向外拋射高溫電離氣體。寧靜狀態下，太陽不斷向星際空間拋射物質的現象叫做太陽風。太陽風以每小時100 萬到1000 萬千米的速度咆哮，每秒將100萬噸物質帶入太空。當太陽風遇到地球磁場時，地球磁場被“吹”變形，形成一個面向太陽的水滴狀磁層。正是因這個磁層的存在，太陽風被拒之門外，無法對地球大氣層造成實質性干擾，避免了地球表面大氣和水分被太陽風侵蝕吹散?？梢哉f，磁層就是地球的保護傘，這是地球能夠孕育生命的關鍵條件之一。

▲太陽風吹拂下的地球磁層示意圖，天體大小及距離未按照真實比例

▲2014 年10 月24 日，美國宇航局的SDO 天文臺拍攝的太陽黑子，最大的一顆黑子直徑接近13 萬千米，大約可以并排放下10 個地球

但是，太陽并非一直保持寧靜狀態，也會時?！按驀娞纭?。太陽活動可以分為漸變型和爆發型兩類。太陽中的異常結構諸如太陽黑子、日冕洞等屬于漸變型太陽活動，而太陽耀斑、日冕物質拋射等則屬于爆發型太陽活動。

一次典型太陽活動釋放的能量約等于上千億顆廣島原子彈爆炸產生的能量。當太陽風暴發生時，太陽風與地球磁場的相互作用增強，平衡被打破，導致地球的磁層劇烈變化，地面和近地空間的磁場被劇烈擾動，造成地面電路、通信設備及各種衛星受損甚至失效，這就是地磁暴現象。

迄今最強的地磁暴：卡林頓事件

1859 年9 月1 日的卡林頓事件是迄今為止記錄的最強的地磁暴事件。這是人類第一次觀測到太陽耀斑，也是迄今為止最強的太陽耀斑。這次事件導致美國和歐洲近20 萬千米的電報線路失靈。在極地的極光十分耀眼，甚至可以在夜晚直接在極光的照耀下看書讀報。夏威夷、加勒比海等中低緯度地區甚至也出現了未曾一見的極光。然而，在163 年前人類還沒有衛星技術，也沒有無線電通信技術，因此這樣劇烈的磁暴現象引起的空間天氣變化并沒有對人們的生活產生太大影響。

▲1859 年9 月1 日由理查德·卡林頓繪制的卡林頓事件中的太陽黑子

但是，如果在今天再爆發一次卡林頓事件，后果將不堪設想。地磁暴將在供電網絡中產生感應電流，導致變壓器過載甚至完全燒毀，全球的電網將完全癱瘓。衛星將全部報廢，通信將完全中斷，導航系統將無法正常工作，船舶和飛機將成為無頭蒼蠅，這一切直接或間接造成的損失將需要大約4 到10 年去恢復。而根據中科院近地空間環境重點實驗室的預測，全球總損失將達到兩萬億美元左右。

步入衛星時代的人們雖然還沒有經受過卡林頓事件級別的空間天氣災害，但威力次之的幾次事件依舊令人們心有余悸。

▲2012 年7 月23 日由STEREO 衛星拍攝的一次太陽風暴

▲天空實驗室空間站

1989 年3 月的加拿大魁北克事件導致全城電力系統中斷9 小時，600 萬居民度過了沒有電力的寒冷黑暗夜晚，直接經濟損失達五億美元?？笨怂熊娪美走_站失效，北美防空司令部甚至一度認為魁北克遭到了核打擊。

2000 年的巴士底獄風暴導致美國氣象衛星GOES-8 和GOES-10 傳感器故障，GPS 導航衛星失效數小時，先進的成分探測器衛星（ACE）的太陽風速度探測儀失靈，國際空間站軌道降低15 千米。受損最嚴重的是日本ASCA 天文觀測衛星，太陽能電池板不能正常工作，工作人員努力拯救了2 個月后仍宣布失敗，最終衛星失聯。

熱層暴對衛星軌道的影響

熱層暴是地磁暴發生同時的附屬現象，對近地衛星的運行軌道將產生直接影響。熱層是距離地面100千米以上、溫度較高的稀薄大氣圈層。當發生熱層暴時，大氣溫度升高而膨脹，引起大氣環流變化，導致高層大氣密度顯著增加。運行在較低軌道上的航天器所受大氣阻力將成倍增長，對于無法及時升軌的航天器產生致命打擊。過大的大氣阻力將使航天器運行速度加快衰減，軌道高度更快地降低，將更早地再入大氣層而終結壽命。

▲天空實驗室墜落到澳大利亞境內的碎片

受此影響最為著名的航天器非美國天空實驗室空間站莫屬。“天空實驗室”于1973 年5 月14 日由土星5 號火箭發射。這個重達76 噸的龐然大物被美國宇航局寄予厚望，在3 次載人飛行任務后，“天空實驗室”便進入了任務空窗期，等待航天飛機發射成功后補充燃料抬升軌道。當時“天空實驗室”處于約435 千米高的軌道上，工程師預計它還可以繼續在太空運行到1983 年等待航天飛機的到來。然而在1981 年航天飛機研制成功前，太陽黑子活動變得比預期更加劇烈，地球高層大氣被加熱并膨脹，更大的阻力使“天空實驗室”只能撐到1979 年。1979 年7 月11 日，“天空實驗室”帶著遺憾再入大氣層燒毀。

范·艾倫輻射帶對衛星電子系統的影響

除了大氣密度增長導致衛星軌道衰減速度加快外，空間天氣惡劣對衛星本身的電子系統也會產生打擊。地球上1000～60000 千米的高度范圍內有大量被地球磁場束縛的高能帶電粒子，它們聚集成環繞地球的范·艾倫輻射帶。當太陽風暴發生時，范·艾倫輻射帶將會向外膨脹，范圍擴大，威脅到原本在輻射帶外的航天器。

突然增多的帶電粒子將會使衛星表面帶電，電壓可高達上萬伏。當電量積累到一定程度時會在某些尖端和間隙放電，瞬間擊穿衛星的防護層。還有些高能粒子可以直接穿透衛星，轟擊衛星電路和芯片，對其性能造成影響，嚴重者可直接導致衛星失效。據不完全統計，近九成的的衛星電路系統故障都與太陽異?；顒佑嘘P。

▲范·艾倫輻射帶示意圖，內帶（紅色）以質子為主，外帶（藍色）以電子為主

根據美國國家空間天氣戰略計劃的統計顯示，美國每年因空間天氣影響造成的損失高達數千萬美元。1998年美國銀河4 號同步軌道通信衛星因太陽風暴而失效，美國80%的傳真尋呼服務癱瘓。而我國在衛星技術發展還不成熟時也因空間天氣變化蒙受損失。1988 年9 月發射的風云一號A 氣象衛星只正常工作了39 天，1990 年11 月發射的風云一號B 氣象衛星也只正常工作了165 天，它們都因空間天氣惡劣導致星載計算機受損，未達到一年的設計壽命。后來我國深刻總結了衛星失效的教訓，攻堅克難，大幅提高了我國衛星的抗輻射能力，1999年5 月發射的風云一號C 星設計壽命2 年，卻正常服役近5 年，打了一個漂亮的翻身仗。

電離層暴影響無線電波傳播

太陽活動還會導致地球電離層擾動，發生電離層暴現象。電離層是高度60 到1000 千米的含有帶電粒子的大氣層區域，隨著高度的變化，電離層可以對不同頻段的電磁波產生反射、折射及吸收，猶如天空中的鏡子。人類正是依賴于這層天空中的鏡子進行無線電通信的。

▲風云一號衛星

電離層暴發生時，電離層的帶電粒子密度、電場分布、磁場分布等均會出現以毫秒為單位的暴發性漲落，其漲落幅度甚至可達80% 以上，引起無線電波反射、折射、吸收、色散及多普勒頻移等性狀快速變化，從而導致通信衛星、導航衛星、遙感衛星的信息受損甚至完全丟失。帶電粒子也會轟擊衛星的太陽能板，這是使衛星太陽能板性能下降的罪魁禍首，嚴重者會導致衛星供電不足甚至整星掉電。

電離層內小尺度的帶電粒子密度不均勻時，會導致無線電信號的強度、相位等發生波動，這種現象被稱作“電離層閃爍”。此外，較大尺度的帶電粒子密度不均勻會導致無線電信號折射路徑發生彎曲，引起地面跟蹤衛星接收信號時發生偏移。各種小尺度、大尺度的電離層暴誤差累積，會導致衛星信號的信噪比下降，丟包率上升，造成導航衛星誤差增大、遙感衛星圖像分辨率降低，甚至導致衛星信號完全中斷。例如，2003年10 月底發生的萬圣節太陽風暴，美國的GPS 導航衛星因電離層暴現象被迫停用30 小時。2017 年9 月發生了較強的太陽耀斑事件，美國GPS和我國北斗等衛星定位系統的誤差比正常時大了好幾倍。我國的南海等低緯度地區是電離層閃爍多發地區，在海事衛星技術不成熟的年代，船舶丟失海事衛星信號是家常便飯。

▲2012 年3 月6 日由美國宇航局的SDO 天文臺拍攝到的一次X 級太陽耀斑

太空輻射對航天員的危害

處于太空中的航天員也時刻在面臨空間天氣災害的威脅。

高能帶電粒子可以穿入人體細胞組織中，使體內分子電離，甚至導致DNA 等遺傳物質受損。細胞的正常功能被破壞，受輻射量較小時會導致內分泌失調等癥狀，嚴重者會造成DNA 變異甚至細胞癌變。研究人員指出，如果處于太空中的航天員經受卡林頓事件同等級的太陽耀斑事件，很有可能會導致急性放射病，甚至可能導致死亡。曾有出艙活動的航天員報告，他們的眼睛不斷出現異常閃光，閉上眼睛也無濟于事，經地面分析是由他們的視網膜受高能粒子轟擊所致。

▲航天員在太空中要面對潛在的輻射威脅

因此，空間站的外壁都需要特殊材料以盡量降低太空輻射對航天員的傷害，同時航天員執行任務的時間也不宜過長。

綜上所述，空間天氣現象成因復雜，不受人們控制的太陽每時每刻都有可能朝地球打一個“大噴嚏”，引起地球磁層、電離層、熱層和地面各種物理性狀的劇烈變化，對人類社會的平穩運行與健康發展產生威脅。目前對空間天氣的研究還在深入進行中，相信有一天我們可以完全掌握空間天氣的產生機理及變化規律，面對空間天氣事件能夠更加游刃有余、坦然自若。