【科技日报】你负责诗和远方，我负责星途坦荡——空间天气预报护航天宫二号太空之旅

　　日冕物质抛射演示图（图片来源于NASA网站）

　　文·本报记者 唐 婷

　　在天宫二号发射至神舟十一号飞船顺利返回地面的过程中，中科院空间环境预报中心24小时不间断进行空间环境监测，每天提供3次预报产品。针对交会对接任务高精度的轨道预测需求，提供空间环境参数预报产品。

　　说起天气预报，地球人都知道。可空间天气预报是什么？事实上，在备受瞩目的天宫二号发射和实现与神舟十一号载人飞船交会对接的过程里，空间天气预报可是扮演了重要的角色。

　　“你负责诗和远方，我负责路途坦荡。”中科院国家空间科学中心研究员钟秋珍在该中心空间环境预报的微信公众号里如是概括了他们为天宫二号所做的空间环境保障工作。

　　中科院国家空间科学中心刘四清研究员介绍，在天宫二号发射至神舟十一号飞船顺利返回地面的过程中，预报中心24小时不间断进行空间环境监测，每天提供3次预报产品。针对交会对接任务高精度的轨道预测需求，提供空间环境参数预报产品。

　　空间天气是什么

　　高度范围是20公里到太阳大气，现象主要有耀斑、磁暴、极光等，观测要素为X射线、磁场、电场、等离子体等

　　地面上会刮风下雨，宇宙空间里的天气是什么样的呢？空间天气学国家重点实验室李晖向科技日报记者介绍道，空间天气是指由突发性太阳活动，比如太阳黑子、耀斑等，引起的日地空间环境高度动态的短时间尺度的变化。

　　为了帮助大家建立对空间天气的概念，李晖列了一个和地面天气的对比表。地面天气，高度范围是20公里以内，现象主要有风、雨、雷、电、台风等，观测要素为温度、压强、湿度等。空间天气，高度范围是20公里到太阳大气，现象主要有耀斑、磁暴、极光等，观测要素为X射线、磁场、电场、等离子体等。

　　太阳耀斑释放的能量会形成太阳风。李晖解释道，“太阳风是从太阳上层大气射出的超声速等离子体带电粒子流。可以观测到，日冕物质抛射的过程，就像吹泡泡糖一样，一下子抛出去一大团等离子体。”

　　等离子体是一种偏气态的物质，与地球上的空气不同，不是由气体分子组成，而是由比原子还小一个层次的基本粒子——质子和电子等组成，但它们流动时所产生的效应与空气流动十分相似，所以称之为太阳风。

　　来自太阳的风可并不温柔。在地球上，12级台风的风速是每秒32.5米以上，而太阳风的风速，在地球附近却经常保持在每秒350—450千米，是地球风速的上万倍，最猛烈时可达每秒800千米以上。

　　不仅会“刮”太阳风，太阳偶尔还要“爆发”一下，来一场太阳风暴。太阳风暴的威力不可小觑。一次太阳风暴释放的能量，相当于10万至100万次强火山爆发或上百亿枚百吨级氢弹爆炸效果。

　　太阳在黑子活动高峰阶段产生的剧烈爆发活动就是太阳风暴，黑子面积越大就越危险。“太阳黑子就好比是美女脸上的雀斑，我们有时会开玩笑说，如果你女朋友老发脾气，一定要看看是不是因为脸上的雀斑变多了。”李晖笑道。

　　为何影响人类生活

　　灾害性的空间天气会对航天系统、无线电链路系统、电力和能源系统、军事系统产生严重影响，对生命系统产生显著影响，还会对地面天气和气候系统产生较明显的影响

　　也许你会问，太阳离地球那么远，突发性的太阳活动会对地球上人们的生产生活产生什么影响呢？

　　李晖介绍，灾害性的空间天气会对航天系统、无线电链路系统、电力和能源系统、军事系统产生严重影响，对生命系统产生显著影响，还会对地面天气和气候系统产生较明显的影响。

　　以航天系统为例，一旦发生灾害性空间天气，会导致数天内恒星定位系统无法工作，影响姿态控制；航天器表面充放电事件频发，引起控制信号紊乱；太阳能电池严重退化甚至毁损；辐射总剂量相当于2—3年所遭受的总剂量，缩短卫星寿命；中低轨飞行器的轨道高度下降、寿命显著降低；空间碎片将向低轨道聚集，与功能卫星碰撞的风险大大增加。

　　不只是会给天上的卫星运行带来麻烦，灾害性空间天气还会给地面电网造成巨大的损失。比如，造成出现强烈GIC电流，电网负荷显著增加；变压器跳闸、电容器组件断开，严重时导致电力中断；变压器发生严重的偏磁饱和，甚至毁坏，导致大范围停电。

　　1989年3月13日，一次日冕物质抛射所引发的磁暴袭击了加拿大魁北克地区的电网，导致该地区出现大范围的断电事故，受直接影响的居民人数达到600万人。李晖介绍，这次太阳风暴的强度尚不及1859年太阳耀斑事件强度的三分之一。有科学家预估，如果1859年耀斑事件发生在今天，它很可能会彻底摧毁人类现代化的科技基础设施。

　　如何为天宫二号保驾护航

　　从9月初开始，中科院空间环境预报中心向天宫二号应用总体部密集提交空间环境预报产品，包括未来三天的空间环境预报、空间环境指数中期预报等。

　　突发的、灾害性的空间天气变化给卫星运行、通信、导航和电力系统安全带来了挑战。揭示灾害性空间天气的整体变化规律，提供高精度、高时变的空间天气数值预报，是目前极富挑战性的国际前沿课题。

　　“在国际空间环境服务机构的16个区域预警中心里，我们的综合预报能力位居前列。为天宫二号等重大航天工程提供空间天气预报是我们的工作重点之一。”刘四清表示。在天宫二号发射前，中科院空间环境预报中心做了为期半年的天宫二号发射窗口安全期预报，对空间环境指数和太阳爆发活动等进行了长期预报。

　　影响天宫二号发射运行安全的轨道空间环境主要是大气环境、高能辐射环境和流星体环境等。这些环境的变化主要受太阳活动和地磁活动的制约。地磁暴期间，高层大气密度会迅速上升，导致低轨道上航天器的阻力增加，从而改变航天器的正常运行轨道，增大航天器定轨和轨道预测的误差。

　　在天宫二号发射的前几天，预报中心更是积极备战。钟秋珍介绍，从9月初开始，预报中心向天宫二号应用总体部密集提交空间环境预报产品，包括未来三天的空间环境预报、空间环境指数中期预报等。通过组织会商和详细预测，对于天宫二号发射时的空间环境，给出了发生太阳爆发活动和地磁扰动的可能性较低，预计发射窗口的空间环境安全的预报结论。

　　天宫二号的“星途”还有多少可能的危险？在钟秋珍看来，天宫二号运行期间将处于第24太阳活动周的下降段的中期，太阳活动和地磁扰动整体水平较低，太阳风暴的发生频次和强度都会大大降低，但是由于太阳风暴突发性强，仍要密切关注空间环境的一举一动。

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　　“脾气暴躁”的太阳高能粒子

　　空间天气预报是围绕太阳展开的，如果太阳表面爆发了一次“日冕物质抛射”活动，数十亿吨高能粒子以每秒几百甚至几千公里的速度向外喷发，随着不断地向外传播，所影响的区域逐渐变成一个半球。这些高能粒子在对外传播的过程中，会对地球的磁层、电离层、大气层等产生影响。

　　当太阳活动产生的高能粒子在星际旅行，并与地球的首次邂逅时，它们首先扰乱的是地球的磁场。在经过一到两天的星际之旅后，高能粒子首先与地球的磁层碰面了，地球磁场在这股巨大能量的冲击下努力保持原有形态，虽然如此，也还是被这股力量无情的拉长，这时就会发生地磁暴。对于人类来说，我们感受不到地磁暴的影响，但是对于能够感觉到地球磁场的鸟类来说就遭殃了，鸟类的导航系统会受到影响，比如信鸽就会出现成千上万只一起迷失的现象。

　　紧接着，日冕物质抛射产生的高能粒子会影响到地球的电离层，处在这一层中的电子被太阳高能粒子吓得到处逃窜，这一秒还扎堆儿地躲在一起，下一秒又四散奔逃了，电离层也因此变得坑洼不平、薄厚不一。全球定位系统的信号传输过程会因此发生剧烈的抖动，严重时会影响定位精度甚至是完全罢工。

　　最后，来自太阳的高能粒子与地球生物的最后一层屏障——大气层相遇了。稠密的大气层中的气体原子与高能粒子发生着激烈的碰撞，使得它们的能量和速度都得到极大的衰减，但是碰撞的同时却带来了新的问题，这就是“次级辐射”。比如说体积小却具有很高速度和质量的中子，它们可以轻松地穿透飞机座舱，对乘客和机组成员造成较地面高十几甚至是几百倍的辐射计量。

　　可见，空间天气对我们的地球影响不小，因此也需要精准的预报。