太空也需要天气预报？这个低调的大国重器藏不住了

  前段时间，地球出现几十年来最强地磁暴之一，全球多地可见极光，世界气象组织作出这样的提醒。

  太阳活动具有11年的周期性，会经历由弱变强、由强转弱的过程。我们目前正处于第25个太阳活动周的峰年期，未来两三年仍有很大有几率发生强烈的太阳活动，引发灾害性空间天气事件。

  很多人可能不知道，我国有一批大国重器，在对空间天气进行持续的监测和预警。这些看上去科幻感十足的设备，都是干什么的？

  1957年人造卫星上天，人类进入空间时代。从此，人们开始意识到在陆地、海洋和大气环境之外，还存在与人类生存发展息息相关的第四环境——空间环境。

  瞬时发生的爆发性太阳活动通常会引起空间环境的剧烈变化，影响地面和空间技术系统的运行和可靠性，人们称之为空间天气（Space Weather）。

  与普通天气的“风雨雷电”类似，空间天气也有多种表现形式，包括电磁场、等离子体、高能粒子等多种不同尺度、不同程度的扰动，能够说是太空中的“风雨雷电”。

  太阳每时每刻都在向外吹拂着等离子体，我们叫做“太阳风”，平时，地球就浸泡在太阳风中。日冕物质抛射就像是源自太阳的“飓风”，它肆虐太阳系空间，会引起地球空间环境的剧烈扰动。

  空间天气也会产生高能粒子“雨”。首先，太阳爆发本身就会向外释放大量的高能粒子，并冲击地球空间；另外，日冕物质抛射袭击地球时，会引起地球磁层中带电粒子的加速，产生高能电子暴。

  此外，太阳活动对地球的冲击也会引发空间电流的扰动，引起地面磁场的跳变，还会产生极光等现象，这些都是太空中的“雷电”现象。

  包括航天活动，以及与日常生活紧密关联的卫星通信、导航定位、防灾减灾、航空飞行、电力、输油管道乃至铁路运行等。

  比如与我们生活息息相关的电力系统，地磁暴在地面产生地磁感应电流，可能使输电网中的变压器受损或者烧毁，造成停电事故。1989年的空间天气事件就导致加拿大魁北克省大面积停电超过9小时。

  航天活动方面，空间天气产生的大量高能粒子会影响卫星的运行安全；高层大气密度增加会改变低轨道卫星的运行姿态和运行轨道等。比如，在2022年，由于地磁暴的影响，星链卫星刚刚发射的49颗卫星，就有38颗重入大气层烧毁。

  通信导航定位方面，电离层作为通信导航定位系统电波信号传播的媒介，其中的扰动会影响通信导航定位的精度，甚至完全失效。

  说到这里，不少人可能有个疑惑，前段时间，发生了X级大耀斑和超大地磁暴，但很多人并没有感受到对自己生活的影响，这又是为什么呢？

  这是因为，空间天气除了产生极光这种肉眼可见的景观之外，是一种看不见摸不着的太空现象，因此普通人可能没有太强的切身感受。

  但实际上，根据公开报道，前段时间的X级耀斑和超大地磁暴在全世界内产生了多方面的影响。

  比如，在航天活动方面，包括中国空间站在内的低轨卫星或航天器遭受到了更强的阻力；部分卫星暂停了科研观测任务。

  在通信导航定位方面，美国、日本、加拿大以及中国等多个国家报告了强烈的电波吸收导致通信中断以及导航卫星失锁等现象。

  在电力系统方面，新西兰的电力传输服务临时关闭了全国部分变电站，以防设备损坏。

  尤其有必要注意一下的是，随人类科技的进步，空间天气灾害对人类活动的影响将越发显著。

  1859年发生的卡林顿事件是迄今为止记录的最强地磁暴事件，根据科学家分析，当时的地磁扰动幅度是近期这个地磁暴的4倍以上。

  由于当时还没有飞机、卫星等，地磁暴仅对电报系统等造成了严重干扰，整体上对人类活动影响有限。但如果卡林顿事件发生在今天而没能有效应对，则会给卫星、通信、导航、地面电力等设施造成巨大的破坏。

  不过大家也不必过于担忧，一方面，卡林顿事件是极端的太阳活动和空间天气事件，也被称为超级太阳风暴，是几十年乃至上百年一遇的小概率事件。另一方面，人类的防护手段和技术在进步，空间天气监测预警能力也不断提升。

  相关机构需要尽可能提前对空间天气事件的发生时间和强度进行预报，判断其可能会产生的影响区域和程度，提醒各方面采取针对性措施。

  早在1992年，中国科学院国家空间科学中心就成立了空间环境预报中心，这是我国第一个专业的空间天气预报机构，20多年来，为我国载人航天工程等国家重大航天任务提供了全过程的空间环境预报保障。该中心同时也是国际空间环境服务组织中国区域警报中心的运行机构，面向全球发布空间天气预报。

  空间环境监测大致上可以分为地基监测和天基监测两种方式。简单来理解，就是“基于地面”和“基于太空”，可以合力布下“天罗地网”。

  在天基探测方面，针对空间天气的源头——太阳，我国先后发射了“羲和号”和“夸父一号”卫星，紧盯着太阳的一举一动。

  上面这是位于四川省甘孜州的圆环阵太阳射电成像望远镜，也被当地居民称为“千眼天珠”。

  它是目前全球顶级规模的综合孔径射电望远镜，不但能监测太阳的各种爆发活动，还能监测太阳风暴进入行星际的过程。

  上面这是位于内蒙古锡林郭勒盟的行星际闪烁望远镜，由我国自主研制，接收面积和灵敏度处于国际领先水平。

  行星际空间扮演着衔接太阳和地球的关键纽带作用。从太阳大气爆发到行星际空间传播，再到地球空间响应，这是一个完整的链条。

  行星际闪烁望远镜就聚焦这个链条的中间纽带——行星际空间。它可以感知太阳风湍流引起的射电流量的闪烁，遥测太阳风的动态传播过程。

  上面这是位于海南省的三站式非相干散射雷达，其主站由八千多个天线单元共同组成，是世界最先进的地基电离层探测设备之一。

  电离层，是地球上空高度约60到1000公里的高层大气，我们日常的通信、广播、导航、定位不能离开这个区域，但电离层“天生不安分”。

  捕捉监测电离层中各种小尺度的现象的“一举一动”，就好比是要用肉眼去观察几百公里外的一盏蜡烛，难度可想而知。非相干散射雷达就手握这一独门秘籍。

  上面三幅图片展示的是北方中纬高频雷达网，由3站6部高频相干散射雷达组成，首次形成对欧亚扇区中高纬度电离层的广域高精度连续探测。

  你可能会好奇，从四川到内蒙古再到海南，子午工程的设备分布怎么会如此广泛？

  事实上，空间天气扰动是沿经纬向分布和传播的。基于这个特点，子午工程沿东经100度和120度、北纬30度和40度，布局了31个观测台站，建设了282台监测设备，其中就包括20余台套自主研发的具有国际领先水平的大型监测设备。

  从中高层大气、电离层、磁层，到行星际、太阳大气，子午工程的探测范围涵盖了五大空间环境圈层，能获取多达40类的空间环境参数。

  子午工程I期，也即“东半球空间环境地基综合监测子午链”，于2012年完成建设并投入运行。

  子午工程II期，也即“空间环境地基综合监测网”，也已经于近期完成建设，成为国际上综合观测能力最强的地基空间天气监测网络。子午工程II期经国家验收后将进入正式运行，对国内外科学家开放共享探测数据和研究成果。

  空间天气不像台风、地震等地球物理现象那样以极端的方式影响人们的生活，很多人对子午工程也并不熟悉。

  但空间天气对人类长期发展特别是向太空的拓展至关重要，子午工程及其背后的建设团队、工作人员，可以让我们更多关注和了解。

  （受访者为中国科学院国家空间科学中心研究员、子午工程二期总师徐寄遥，中国科学院国家空间科学中心研究员、国际空间环境服务组织中国区域警报中心主任罗冰显，中国科学院国家空间科学中心研究员、子午工程二期总体技术组组长陈志青。）

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