太空中的“天氣”也能早知道

文／唐云秋 杜 丹 薛炳森

太空旅游、火星探測、小行星采礦、月球基地建立，這些過去只能在科幻小說中看到的情節(jié)，由于空間天氣預報水平穩(wěn)步提高正逐步變成現(xiàn)實——

出門時看一眼手機上的天氣預報，已成為很多人的習慣，尤其是準備去外地出差、旅游時，會更加關(guān)心目的地的天氣情況；類似地，當貨運飛船和人造衛(wèi)星要發(fā)射到幾百千米至幾萬千米高的近地空間中，航天員需要出艙進入接近真空的太空環(huán)境里，自然也會想要了解那里的空間天氣狀態(tài)，而空間天氣預報就成了新的關(guān)注點。

那么，太空中的“天氣”是什么樣？何為空間天氣？它是怎么預報的？全國科技活動周輪值主場上，“揭秘空間天氣”主題科普活動為您解惑答疑。

什么是空間天氣？太陽爆發(fā)所致

“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)國時期，魏國人完成的編年體史書——《竹書紀年》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，極光不僅帶來遠在1.5億公里之外太陽的“問候”，它還“透露”了宇宙中流傳已久的秘密——空間天氣。

在地球與太陽系唯一的恒星太陽之間，我們能夠看到與感覺到的陽光，其實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?？汀?/p>

除此之外，還有一刻不停，“吹拂”到太陽系每一個角落的太陽風，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的引力束縛，進入宇宙空間。而靠近地球的這一邊，在太陽光線的照射與太陽風的聯(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)萬公里甚至更高的位置區(qū)域向內(nèi)，形成地球磁場、電離層、熱層的立體結(jié)構(gòu)。一邊是不停提升強化等級向外輸出的太陽，另一邊是擺出“層層陣線”護住基地的地球，兩者之間形成了宇宙空間中的巧妙“默契”與動態(tài)“平衡”。

但是太陽并非一成不變，工作模式一般分為平靜與爆發(fā)兩大類，平靜時的太陽所釋放出的太陽風速度低、變化慢，物質(zhì)密度也相對較低，并且沒有明顯的爆發(fā)活動。一旦太陽轉(zhuǎn)入爆發(fā)模式，太陽風就會發(fā)生明顯變化，速度升高、密度增大，甚至就連溫度也會出現(xiàn)跳躍式的升高，耀斑和日冕物質(zhì)拋射這兩個“大招”也會隨時放出，就連冷卻時間也會大幅度縮短，甚至開啟“狂暴模式”，多種爆發(fā)活動同時甚至是連續(xù)地發(fā)生。

而上述這些變化，會對人造衛(wèi)星和空間站、通訊與能源系統(tǒng)，以及人類健康帶來嚴重影響和危害，我們將太陽爆發(fā)活動及其所引發(fā)的空間環(huán)境變化稱為空間天氣。

空間天氣怎么監(jiān)測？不同“對象”手段多樣

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

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

與地面天氣監(jiān)測系統(tǒng)相比，空間天氣監(jiān)測具有一些顯著不同的特點。首先，空間范圍大。從監(jiān)測距地面20-30公里高度的中高層大氣往上直至太陽表面的活動區(qū)。

其次，物理對象復雜。既要監(jiān)測中高層大氣中的溫度、密度、速度等流體力學參數(shù)，也要監(jiān)測電離層、磁層和行星際以及太陽表面的粒子、場和溫度等離子體參數(shù)。

最后，時空尺度變化范圍大。既要監(jiān)測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)的時空變化，又要關(guān)注從太陽表面到地球磁層頂整個日地系統(tǒng)，超過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)測的手段形式多樣。其中，對于電磁波，可使用光學遙感和無線電手段來觀察；對于磁場，采用磁通門或磁阻技術(shù)；對于粒子，可以用半導體或靜電分析儀。

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)生影響和效應的規(guī)律。

因此，從空間天氣業(yè)務需求來說，需要對從太陽—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)域進行必要的監(jiān)測。

如今，經(jīng)過近20年的努力，我國國家級空間天氣業(yè)務單位——中國氣象局國家空間天氣監(jiān)測預警中心，基本建設形成“天地一體化”的空間天氣監(jiān)測格局，實現(xiàn)了日地因果鏈上“全過程”的自主觀測。

空間天氣如何預報？由看云識天到數(shù)值化時代

空間天氣的主要源頭是太陽，而太陽大氣中又充滿了五花八門的活動現(xiàn)象，比如太陽耀斑、日冕物質(zhì)拋射、太陽質(zhì)子事件等，這些劇烈的爆發(fā)現(xiàn)象會對空間天氣產(chǎn)生顯著影響。

空間天氣預報的作用就是預測預報空間天氣事件及其影響。早期的空間天氣預報主要關(guān)注太陽黑子的外觀變化，比如黑子個數(shù)的增減，黑子形態(tài)的改變等，有點像過去的看云識天氣，通過云朵的形態(tài)和數(shù)量預測天氣變化?，F(xiàn)在，以觀測數(shù)據(jù)和科學理論為基礎(chǔ)，通過太陽表面物理參數(shù)預測耀斑發(fā)生的概率、通過數(shù)值模型計算太陽風參數(shù)等方法正在不斷發(fā)展，空間天氣預報開始邁入數(shù)值化時代。

那么，空間天氣預報是如何做出來的呢？

首先，收集最新觀測數(shù)據(jù)。包括各個波段的太陽圖像、太陽X射線流量、太陽磁場、地磁指數(shù)、電離層狀態(tài)等數(shù)據(jù)進行綜合分析，然后結(jié)合觀測數(shù)據(jù)、數(shù)值模擬等做出預報，與首席預報員進行會商，得出空間天氣預報結(jié)論。

其次，制作各種預報產(chǎn)品。空間天氣預報產(chǎn)品種類很多，包括日報、周報、月報、年報等?？臻g天氣日報總結(jié)過去24小時的空間天氣情況，并預報未來1—3天的空間天氣狀態(tài)，包括太陽活動水平、地磁活動水平以及電離層狀態(tài)等?？臻g天氣周報則是總結(jié)最近7天的空間天氣態(tài)勢，預報未來7天空間天氣趨勢。當有大耀斑、地磁暴等重要的空間天氣事件發(fā)生時，還會發(fā)布空間天氣現(xiàn)報等產(chǎn)品。

最后，對外公開發(fā)布。會通過網(wǎng)站、傳真、APP、短信、微博、微信公眾號等多種方式，發(fā)布空間天氣預報，讓大家可以了解到最新的空間天氣狀態(tài)。

當下，隨著各國探測飛船和衛(wèi)星的發(fā)射，新的觀測數(shù)據(jù)源源不斷，空間天氣預報水平也將穩(wěn)步提高。太空旅游、火星探測、小行星采礦、月球基地，這些過去只能在科幻小說中看到的情節(jié)正逐步變成現(xiàn)實，我們相信，未來會有更多的人想要了解空間天氣、關(guān)注空間天氣預報。