文/杜駿豪

▲1991 年5 月發(fā)現(xiàn)號(hào)航天飛機(jī)拍攝的南極極光

人類的航天活動(dòng)日益頻繁，意味著需要應(yīng)對(duì)的空間天氣危害挑戰(zhàn)越來(lái)越多。

幽幽的極光是獨(dú)特的自然景觀，一般情況下只有在南北極高緯度地區(qū)的人們才能有幸一覽其芳華。極光的出現(xiàn)需要3 個(gè)條件：大氣、磁場(chǎng)與高能帶電粒子。太陽(yáng)不斷向太空拋射出帶有巨大能量的帶電粒子，當(dāng)這些粒子來(lái)到地球附近時(shí)，被地球強(qiáng)大的磁場(chǎng)干擾，飛向南北兩極，與大氣分子摩擦碰撞后便產(chǎn)生了極光這一現(xiàn)象。除了絢爛多彩的極光外，仍有一些人們?nèi)庋鄄豢梢?jiàn)的暗流在涌動(dòng)，來(lái)自太陽(yáng)的高能帶電粒子與地球磁場(chǎng)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(yáng)活動(dòng)密切相關(guān)的變化現(xiàn)象統(tǒng)稱作空間天氣。

▲2021 年9 月法國(guó)航天員Thomas Pesquet 在國(guó)際空間站拍攝的極光

美國(guó)在1994 年11 月將“空間天氣”定義為：太陽(yáng)附近和太陽(yáng)風(fēng)、地球磁層、電離層及熱層中影響空間、地面技術(shù)系統(tǒng)的運(yùn)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(jī)理復(fù)雜，太陽(yáng)風(fēng)等過(guò)度劇烈的太陽(yáng)活動(dòng)會(huì)引發(fā)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(wèi)星的正常工作，甚至對(duì)在外太空的航天員生命構(gòu)成威脅。

太陽(yáng)：狂躁的萬(wàn)物之母

大氣層內(nèi)的傳統(tǒng)天氣變化歸根結(jié)底還是太陽(yáng)的變化。距離太陽(yáng)近、日照時(shí)間長(zhǎng)為夏季，距離太陽(yáng)遠(yuǎn)、日照時(shí)間短則為冬季。所謂“寒來(lái)暑往，秋收冬藏”、“云騰致雨，露結(jié)為霜”，甚至洪澇災(zāi)害、旱災(zāi)、蝗災(zāi)等自然災(zāi)害也都與太陽(yáng)活動(dòng)密不可分。

空間天氣這一新興概念更是與太陽(yáng)活動(dòng)有直接關(guān)聯(lián)。太陽(yáng)不間斷地進(jìn)行核聚變反應(yīng)，同時(shí)不間斷地向外拋射高溫電離氣體。寧?kù)o狀態(tài)下，太陽(yáng)不斷向星際空間拋射物質(zhì)的現(xiàn)象叫做太陽(yáng)風(fēng)。太陽(yáng)風(fēng)以每小時(shí)100 萬(wàn)到1000 萬(wàn)千米的速度咆哮，每秒將100萬(wàn)噸物質(zhì)帶入太空。當(dāng)太陽(yáng)風(fēng)遇到地球磁場(chǎng)時(shí)，地球磁場(chǎng)被“吹”變形，形成一個(gè)面向太陽(yáng)的水滴狀磁層。正是因這個(gè)磁層的存在，太陽(yáng)風(fēng)被拒之門(mén)外，無(wú)法對(duì)地球大氣層造成實(shí)質(zhì)性干擾，避免了地球表面大氣和水分被太陽(yáng)風(fēng)侵蝕吹散?？梢哉f(shuō)，磁層就是地球的保護(hù)傘，這是地球能夠孕育生命的關(guān)鍵條件之一。

▲太陽(yáng)風(fēng)吹拂下的地球磁層示意圖，天體大小及距離未按照真實(shí)比例

▲2014 年10 月24 日，美國(guó)宇航局的SDO 天文臺(tái)拍攝的太陽(yáng)黑子，最大的一顆黑子直徑接近13 萬(wàn)千米，大約可以并排放下10 個(gè)地球

但是，太陽(yáng)并非一直保持寧?kù)o狀態(tài)，也會(huì)時(shí)?！按驀娞纭?。太陽(yáng)活動(dòng)可以分為漸變型和爆發(fā)型兩類。太陽(yáng)中的異常結(jié)構(gòu)諸如太陽(yáng)黑子、日冕洞等屬于漸變型太陽(yáng)活動(dòng)，而太陽(yáng)耀斑、日冕物質(zhì)拋射等則屬于爆發(fā)型太陽(yáng)活動(dòng)。

一次典型太陽(yáng)活動(dòng)釋放的能量約等于上千億顆廣島原子彈爆炸產(chǎn)生的能量。當(dāng)太陽(yáng)風(fēng)暴發(fā)生時(shí)，太陽(yáng)風(fēng)與地球磁場(chǎng)的相互作用增強(qiáng)，平衡被打破，導(dǎo)致地球的磁層劇烈變化，地面和近地空間的磁場(chǎng)被劇烈擾動(dòng)，造成地面電路、通信設(shè)備及各種衛(wèi)星受損甚至失效，這就是地磁暴現(xiàn)象。

迄今最強(qiáng)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(qiáng)的地磁暴事件。這是人類第一次觀測(cè)到太陽(yáng)耀斑，也是迄今為止最強(qiáng)的太陽(yáng)耀斑。這次事件導(dǎo)致美國(guó)和歐洲近20 萬(wàn)千米的電報(bào)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(shū)讀報(bào)。夏威夷、加勒比海等中低緯度地區(qū)甚至也出現(xiàn)了未曾一見(jiàn)的極光。然而，在163 年前人類還沒(méi)有衛(wèi)星技術(shù)，也沒(méi)有無(wú)線電通信技術(shù)，因此這樣劇烈的磁暴現(xiàn)象引起的空間天氣變化并沒(méi)有對(duì)人們的生活產(chǎn)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(yáng)黑子

但是，如果在今天再爆發(fā)一次卡林頓事件，后果將不堪設(shè)想。地磁暴將在供電網(wǎng)絡(luò)中產(chǎn)生感應(yīng)電流，導(dǎo)致變壓器過(guò)載甚至完全燒毀，全球的電網(wǎng)將完全癱瘓。衛(wèi)星將全部報(bào)廢，通信將完全中斷，導(dǎo)航系統(tǒng)將無(wú)法正常工作，船舶和飛機(jī)將成為無(wú)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(fù)。而根據(jù)中科院近地空間環(huán)境重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室的預(yù)測(cè)，全球總損失將達(dá)到兩萬(wàn)億美元左右。

步入衛(wèi)星時(shí)代的人們雖然還沒(méi)有經(jīng)受過(guò)卡林頓事件級(jí)別的空間天氣災(zāi)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(wèi)星拍攝的一次太陽(yáng)風(fēng)暴

▲天空實(shí)驗(yàn)室空間站

1989 年3 月的加拿大魁北克事件導(dǎo)致全城電力系統(tǒng)中斷9 小時(shí)，600 萬(wàn)居民度過(guò)了沒(méi)有電力的寒冷黑暗夜晚，直接經(jīng)濟(jì)損失達(dá)五億美元?？笨怂熊娪美走_(dá)站失效，北美防空司令部甚至一度認(rèn)為魁北克遭到了核打擊。

2000 年的巴士底獄風(fēng)暴導(dǎo)致美國(guó)氣象衛(wèi)星GOES-8 和GOES-10 傳感器故障，GPS 導(dǎo)航衛(wèi)星失效數(shù)小時(shí)，先進(jìn)的成分探測(cè)器衛(wèi)星（ACE）的太陽(yáng)風(fēng)速度探測(cè)儀失靈，國(guó)際空間站軌道降低15 千米。受損最嚴(yán)重的是日本ASCA 天文觀測(cè)衛(wèi)星，太陽(yáng)能電池板不能正常工作，工作人員努力拯救了2 個(gè)月后仍宣布失敗，最終衛(wèi)星失聯(lián)。

熱層暴對(duì)衛(wèi)星軌道的影響

熱層暴是地磁暴發(fā)生同時(shí)的附屬現(xiàn)象，對(duì)近地衛(wèi)星的運(yùn)行軌道將產(chǎn)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(dāng)發(fā)生熱層暴時(shí)，大氣溫度升高而膨脹，引起大氣環(huán)流變化，導(dǎo)致高層大氣密度顯著增加。運(yùn)行在較低軌道上的航天器所受大氣阻力將成倍增長(zhǎng)，對(duì)于無(wú)法及時(shí)升軌的航天器產(chǎn)生致命打擊。過(guò)大的大氣阻力將使航天器運(yùn)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(jié)壽命。

▲天空實(shí)驗(yàn)室墜落到澳大利亞境內(nèi)的碎片

受此影響最為著名的航天器非美國(guó)天空實(shí)驗(yàn)室空間站莫屬?！疤炜諏?shí)驗(yàn)室”于1973 年5 月14 日由土星5 號(hào)火箭發(fā)射。這個(gè)重達(dá)76 噸的龐然大物被美國(guó)宇航局寄予厚望，在3 次載人飛行任務(wù)后，“天空實(shí)驗(yàn)室”便進(jìn)入了任務(wù)空窗期，等待航天飛機(jī)發(fā)射成功后補(bǔ)充燃料抬升軌道。當(dāng)時(shí)“天空實(shí)驗(yàn)室”處于約435 千米高的軌道上，工程師預(yù)計(jì)它還可以繼續(xù)在太空運(yùn)行到1983 年等待航天飛機(jī)的到來(lái)。然而在1981 年航天飛機(jī)研制成功前，太陽(yáng)黑子活動(dòng)變得比預(yù)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(shí)驗(yàn)室”只能撐到1979 年。1979 年7 月11 日，“天空實(shí)驗(yàn)室”帶著遺憾再入大氣層燒毀。

范·艾倫輻射帶對(duì)衛(wèi)星電子系統(tǒng)的影響

除了大氣密度增長(zhǎng)導(dǎo)致衛(wèi)星軌道衰減速度加快外，空間天氣惡劣對(duì)衛(wèi)星本身的電子系統(tǒng)也會(huì)產(chǎn)生打擊。地球上1000～60000 千米的高度范圍內(nèi)有大量被地球磁場(chǎng)束縛的高能帶電粒子，它們聚集成環(huán)繞地球的范·艾倫輻射帶。當(dāng)太陽(yáng)風(fēng)暴發(fā)生時(shí)，范·艾倫輻射帶將會(huì)向外膨脹，范圍擴(kuò)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(huì)使衛(wèi)星表面帶電，電壓可高達(dá)上萬(wàn)伏。當(dāng)電量積累到一定程度時(shí)會(huì)在某些尖端和間隙放電，瞬間擊穿衛(wèi)星的防護(hù)層。還有些高能粒子可以直接穿透衛(wèi)星，轟擊衛(wèi)星電路和芯片，對(duì)其性能造成影響，嚴(yán)重者可直接導(dǎo)致衛(wèi)星失效。據(jù)不完全統(tǒng)計(jì)，近九成的的衛(wèi)星電路系統(tǒng)故障都與太陽(yáng)異常活動(dòng)有關(guān)。

▲范·艾倫輻射帶示意圖，內(nèi)帶（紅色）以質(zhì)子為主，外帶（藍(lán)色）以電子為主

根據(jù)美國(guó)國(guó)家空間天氣戰(zhàn)略計(jì)劃的統(tǒng)計(jì)顯示，美國(guó)每年因空間天氣影響造成的損失高達(dá)數(shù)千萬(wàn)美元。1998年美國(guó)銀河4 號(hào)同步軌道通信衛(wèi)星因太陽(yáng)風(fēng)暴而失效，美國(guó)80%的傳真尋呼服務(wù)癱瘓。而我國(guó)在衛(wèi)星技術(shù)發(fā)展還不成熟時(shí)也因空間天氣變化蒙受損失。1988 年9 月發(fā)射的風(fēng)云一號(hào)A 氣象衛(wèi)星只正常工作了39 天，1990 年11 月發(fā)射的風(fēng)云一號(hào)B 氣象衛(wèi)星也只正常工作了165 天，它們都因空間天氣惡劣導(dǎo)致星載計(jì)算機(jī)受損，未達(dá)到一年的設(shè)計(jì)壽命。后來(lái)我國(guó)深刻總結(jié)了衛(wèi)星失效的教訓(xùn)，攻堅(jiān)克難，大幅提高了我國(guó)衛(wèi)星的抗輻射能力，1999年5 月發(fā)射的風(fēng)云一號(hào)C 星設(shè)計(jì)壽命2 年，卻正常服役近5 年，打了一個(gè)漂亮的翻身仗。

電離層暴影響無(wú)線電波傳播

太陽(yáng)活動(dòng)還會(huì)導(dǎo)致地球電離層擾動(dòng)，發(fā)生電離層暴現(xiàn)象。電離層是高度60 到1000 千米的含有帶電粒子的大氣層區(qū)域，隨著高度的變化，電離層可以對(duì)不同頻段的電磁波產(chǎn)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(jìn)行無(wú)線電通信的。

▲風(fēng)云一號(hào)衛(wèi)星

電離層暴發(fā)生時(shí)，電離層的帶電粒子密度、電場(chǎng)分布、磁場(chǎng)分布等均會(huì)出現(xiàn)以毫秒為單位的暴發(fā)性漲落，其漲落幅度甚至可達(dá)80% 以上，引起無(wú)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(dǎo)致通信衛(wèi)星、導(dǎo)航衛(wèi)星、遙感衛(wèi)星的信息受損甚至完全丟失。帶電粒子也會(huì)轟擊衛(wèi)星的太陽(yáng)能板，這是使衛(wèi)星太陽(yáng)能板性能下降的罪魁禍?zhǔn)祝瑖?yán)重者會(huì)導(dǎo)致衛(wèi)星供電不足甚至整星掉電。

電離層內(nèi)小尺度的帶電粒子密度不均勻時(shí)，會(huì)導(dǎo)致無(wú)線電信號(hào)的強(qiáng)度、相位等發(fā)生波動(dòng)，這種現(xiàn)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(huì)導(dǎo)致無(wú)線電信號(hào)折射路徑發(fā)生彎曲，引起地面跟蹤衛(wèi)星接收信號(hào)時(shí)發(fā)生偏移。各種小尺度、大尺度的電離層暴誤差累積，會(huì)導(dǎo)致衛(wèi)星信號(hào)的信噪比下降，丟包率上升，造成導(dǎo)航衛(wèi)星誤差增大、遙感衛(wèi)星圖像分辨率降低，甚至導(dǎo)致衛(wèi)星信號(hào)完全中斷。例如，2003年10 月底發(fā)生的萬(wàn)圣節(jié)太陽(yáng)風(fēng)暴，美國(guó)的GPS 導(dǎo)航衛(wèi)星因電離層暴現(xiàn)象被迫停用30 小時(shí)。2017 年9 月發(fā)生了較強(qiáng)的太陽(yáng)耀斑事件，美國(guó)GPS和我國(guó)北斗等衛(wèi)星定位系統(tǒng)的誤差比正常時(shí)大了好幾倍。我國(guó)的南海等低緯度地區(qū)是電離層閃爍多發(fā)地區(qū)，在海事衛(wèi)星技術(shù)不成熟的年代，船舶丟失海事衛(wèi)星信號(hào)是家常便飯。

▲2012 年3 月6 日由美國(guó)宇航局的SDO 天文臺(tái)拍攝到的一次X 級(jí)太陽(yáng)耀斑

太空輻射對(duì)航天員的危害

處于太空中的航天員也時(shí)刻在面臨空間天氣災(zāi)害的威脅。

高能帶電粒子可以穿入人體細(xì)胞組織中，使體內(nèi)分子電離，甚至導(dǎo)致DNA 等遺傳物質(zhì)受損。細(xì)胞的正常功能被破壞，受輻射量較小時(shí)會(huì)導(dǎo)致內(nèi)分泌失調(diào)等癥狀，嚴(yán)重者會(huì)造成DNA 變異甚至細(xì)胞癌變。研究人員指出，如果處于太空中的航天員經(jīng)受卡林頓事件同等級(jí)的太陽(yáng)耀斑事件，很有可能會(huì)導(dǎo)致急性放射病，甚至可能導(dǎo)致死亡。曾有出艙活動(dòng)的航天員報(bào)告，他們的眼睛不斷出現(xiàn)異常閃光，閉上眼睛也無(wú)濟(jì)于事，經(jīng)地面分析是由他們的視網(wǎng)膜受高能粒子轟擊所致。

▲航天員在太空中要面對(duì)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(duì)航天員的傷害，同時(shí)航天員執(zhí)行任務(wù)的時(shí)間也不宜過(guò)長(zhǎng)。

綜上所述，空間天氣現(xiàn)象成因復(fù)雜，不受人們控制的太陽(yáng)每時(shí)每刻都有可能朝地球打一個(gè)“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(duì)人類社會(huì)的平穩(wěn)運(yùn)行與健康發(fā)展產(chǎn)生威脅。目前對(duì)空間天氣的研究還在深入進(jìn)行中，相信有一天我們可以完全掌握空間天氣的產(chǎn)生機(jī)理及變化規(guī)律，面對(duì)空間天氣事件能夠更加游刃有余、坦然自若。