太空中也有“天氣”預(yù)報(bào)

唐云秋

出門時(shí)看一眼手機(jī)上的天氣預(yù)報(bào)，已成為很多人的習(xí)慣，尤其是準(zhǔn)備去外地出差、旅游時(shí)，會(huì)更加關(guān)心目的地的天氣情況；類似地，當(dāng)貨運(yùn)飛船和人造衛(wèi)星要發(fā)射到幾百千米至幾萬(wàn)千米高的近地空間中，航天員需要出艙進(jìn)入接近真空的太空環(huán)境里，自然也會(huì)想要了解那里的空間天氣狀態(tài)，而空間天氣預(yù)報(bào)就成了新的關(guān)注點(diǎn)。

那么，太空中的“天氣”是什么樣？何為空間天氣？它是怎么預(yù)報(bào)的？

什么是空間天氣？

“周昭王末年，夜清，五色光貫紫薇，其王南巡不返”。

這是出現(xiàn)在距今約三千年前的戰(zhàn)國(guó)時(shí)期，魏國(guó)人完成的編年體史書(shū)——《竹書(shū)紀(jì)年》中的一段話。其中的“五色光”，就是大家所熟知的極光現(xiàn)象。

如同是一位信使，極光不僅帶來(lái)遠(yuǎn)在1.5億公里之外太陽(yáng)的“問(wèn)候”，它還“透露”了宇宙中流傳已久的秘密——空間天氣。

在地球與太陽(yáng)系唯一的恒星太陽(yáng)之間，我們能夠看到與感覺(jué)到的陽(yáng)光，其實(shí)只是穿梭在其中的一小部分，大量如伽馬、X射線這種日常難以接觸、能量更高的光線才是?？?。

除此之外，還有一刻不停、“吹拂”到太陽(yáng)系每一個(gè)角落的太陽(yáng)風(fēng)，它們構(gòu)成了行星際空間的物質(zhì)主體，其主要由帶電粒子組成，這些微粒速度很快，以每秒幾百千米的速度突破太陽(yáng)的引力束縛，進(jìn)入宇宙空間。而靠近地球的這一邊，在太陽(yáng)光線的照射與太陽(yáng)風(fēng)的聯(lián)合作用下，能量以多種形式改變著地球的空間環(huán)境，從距離地面數(shù)萬(wàn)公里甚至更高的位置區(qū)域向內(nèi)，形成地球磁場(chǎng)、電離層、熱層的立體結(jié)構(gòu)。一邊是不停提升強(qiáng)化等級(jí)向外輸出的太陽(yáng)，另一邊是擺出“層層陣線”護(hù)住基地的地球，兩者之間形成了宇宙空間中的巧妙“默契”與動(dòng)態(tài)“平衡”。

但是太陽(yáng)，并非一成不變，工作模式一般分為平靜與爆發(fā)兩大類，平靜時(shí)的太陽(yáng)所釋放出的太陽(yáng)風(fēng)速度低、變化慢，物質(zhì)密度也相對(duì)較低，并且沒(méi)有明顯的爆發(fā)活動(dòng)。一旦太陽(yáng)轉(zhuǎn)入爆發(fā)模式，太陽(yáng)風(fēng)就會(huì)發(fā)生明顯變化，速度升高、密度增大，甚至就連溫度也會(huì)出現(xiàn)跳躍式的升高，耀斑和日冕物質(zhì)拋射這兩個(gè)“大招”也會(huì)隨時(shí)放出，就連冷卻時(shí)間也會(huì)大幅度縮短，甚至開(kāi)啟“狂暴模式”，多種爆發(fā)活動(dòng)同時(shí)甚至是連續(xù)地發(fā)生。

而上述這些變化，會(huì)對(duì)人造衛(wèi)星和空間站、通訊與能源系統(tǒng)，以及人類健康帶來(lái)嚴(yán)重影響和危害，我們將太陽(yáng)爆發(fā)活動(dòng)及其所引發(fā)的空間環(huán)境變化稱為空間天氣。

空間天氣怎么監(jiān)測(cè)？

如同地球天氣中的風(fēng)霜雨雪等氣象要素一樣，空間環(huán)境中也存在著可以探測(cè)的環(huán)境參數(shù)，只不過(guò)換成了粒子、磁場(chǎng)、電磁波等參量。

如何去感知這些空間環(huán)境要素？這就要進(jìn)行空間天氣監(jiān)測(cè)。

與地面天氣監(jiān)測(cè)系統(tǒng)相比，空間天氣監(jiān)測(cè)具有一些顯著不同的特點(diǎn)：首先，空間范圍大。包括從監(jiān)測(cè)距地面20-30公里高度的中高層大氣往上直至太陽(yáng)表面的活動(dòng)區(qū)。

其次，物理對(duì)象復(fù)雜。既要監(jiān)測(cè)中高層大氣中的溫度、密度、速度等流體力學(xué)參數(shù)，也要監(jiān)測(cè)電離層、磁層和行星際以及太陽(yáng)表面的粒子、場(chǎng)和溫度等離子體參數(shù)。

最后，時(shí)空尺度變化范圍大。既要監(jiān)測(cè)電離層中局地分布的數(shù)分鐘和數(shù)公里范圍內(nèi)不均勻結(jié)構(gòu)的時(shí)空變化，又要關(guān)注從太陽(yáng)表面到地球磁層頂整個(gè)日地系統(tǒng)超過(guò)1.5億公里范圍內(nèi)的空間天氣因果鏈上關(guān)鍵區(qū)域的空間天氣參數(shù)的整體分布和變化。

另外，空間天氣監(jiān)測(cè)的手段形式多樣。其中，對(duì)于電磁波，可使用光學(xué)遙感和無(wú)線電手段來(lái)觀察，對(duì)于磁場(chǎng)，采用磁通門或磁阻技術(shù)，對(duì)于粒子，可以用半導(dǎo)體或靜電分析儀。

一次完整的空間天氣事件，一般具有從太陽(yáng)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(lái)說(shuō)，需要對(duì)從太陽(yáng)—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(cè)。

如今，經(jīng)過(guò)近20年的努力，我國(guó)國(guó)家級(jí)空間天氣業(yè)務(wù)單位——中國(guó)氣象局國(guó)家空間天氣監(jiān)測(cè)預(yù)警中心基本建設(shè)形成“天地一體化”的空間天氣監(jiān)測(cè)格局，實(shí)現(xiàn)了日地因果鏈上“全過(guò)程”的自主觀測(cè)。

空間天氣如何預(yù)報(bào)？

空間天氣預(yù)報(bào)的作用就是預(yù)測(cè)預(yù)報(bào)空間天氣事件及其影響。早期的空間天氣預(yù)報(bào)主要關(guān)注太陽(yáng)黑子的外觀變化，比如黑子個(gè)數(shù)的增減，黑子形態(tài)的改變等，有點(diǎn)像過(guò)去的看云識(shí)天氣，通過(guò)云朵的形態(tài)和數(shù)量預(yù)測(cè)天氣變化。現(xiàn)在，以觀測(cè)數(shù)據(jù)和科學(xué)理論為基礎(chǔ)，通過(guò)太陽(yáng)表面物理參數(shù)預(yù)測(cè)耀斑發(fā)生的概率、通過(guò)數(shù)值模型計(jì)算太陽(yáng)風(fēng)參數(shù)等方法正在不斷發(fā)展，空間天氣預(yù)報(bào)開(kāi)始邁入數(shù)值化時(shí)代。

那么，空間天氣預(yù)報(bào)是如何做出來(lái)的呢？

首先，收集最新觀測(cè)數(shù)據(jù)。包括各個(gè)波段的太陽(yáng)圖像、太陽(yáng)X射線流量、太陽(yáng)磁場(chǎng)、地磁指數(shù)、電離層狀態(tài)等數(shù)據(jù)進(jìn)行綜合分析，然后結(jié)合觀測(cè)數(shù)據(jù)、數(shù)值模擬等做出預(yù)報(bào)，與首席預(yù)報(bào)員進(jìn)行會(huì)商，得出空間天氣預(yù)報(bào)結(jié)論。

其次，制作各種預(yù)報(bào)產(chǎn)品。空間天氣預(yù)報(bào)產(chǎn)品種類很多，包括日?qǐng)?bào)、周報(bào)、月報(bào)、年報(bào)等?？臻g天氣日?qǐng)?bào)總結(jié)過(guò)去24小時(shí)的空間天氣情況，并預(yù)報(bào)未來(lái)1—3天的空間天氣狀態(tài)，包括太陽(yáng)活動(dòng)水平、地磁活動(dòng)水平以及電離層狀態(tài)等。空間天氣周報(bào)則是總結(jié)最近7天的空間天氣態(tài)勢(shì)，預(yù)報(bào)未來(lái)7天空間天氣趨勢(shì)。當(dāng)有大耀斑、地磁暴等重要的空間天氣事件發(fā)生時(shí)，還會(huì)發(fā)布空間天氣現(xiàn)報(bào)等產(chǎn)品。

最后，對(duì)外公開(kāi)發(fā)布。會(huì)通過(guò)網(wǎng)站、傳真、APP、短信、微博、微信公眾號(hào)等多種方式，發(fā)布空間天氣預(yù)報(bào)，讓大家可以了解到最新的空間天氣狀態(tài)。

當(dāng)下，隨著各國(guó)探測(cè)飛船和衛(wèi)星的發(fā)射，新的觀測(cè)數(shù)據(jù)源源不斷，空間天氣預(yù)報(bào)水平也將穩(wěn)步提高。太空旅游、火星探測(cè)、小行星采礦、月球基地，這些過(guò)去只能在科幻小說(shuō)中看到的情節(jié)正逐步變成現(xiàn)實(shí)。我們相信，未來(lái)會(huì)有更多的人想要了解空間天氣、關(guān)注空間天氣預(yù)報(bào)。

（源自“科普時(shí)報(bào)”）責(zé)編：馬京京