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“地磁暴凸顯空間天氣預(yù)報(bào)重要性。”

前段時(shí)間，地球出現(xiàn)幾十年來最強(qiáng)地磁暴之一，全球多地可見極光，世界氣象組織作出這樣的提醒。?

△2024年5月12日，北京八達(dá)嶺長城可見極光。

太陽活動(dòng)具有11年的周期性，會(huì)經(jīng)歷由弱變強(qiáng)、由強(qiáng)轉(zhuǎn)弱的過程。我們目前正處于第25個(gè)太陽活動(dòng)周的峰年期，未來兩三年仍有很大可能發(fā)生強(qiáng)烈的太陽活動(dòng)，引發(fā)災(zāi)害性空間天氣事件。

地球上的天氣預(yù)報(bào)我們都很熟悉，那什么是空間天氣呢？

太陽打噴嚏，地球可能會(huì)“感冒”，空間天氣會(huì)如何影響人類生活？

很多人可能不知道，我國有一批大國重器，在對(duì)空間天氣進(jìn)行持續(xù)的監(jiān)測(cè)和預(yù)警。這些看上去科幻感十足的設(shè)備，都是干什么的？

01

什么是“空間天氣”？

1957年人造衛(wèi)星上天，人類進(jìn)入空間時(shí)代。從此，人們開始意識(shí)到在陸地、海洋和大氣環(huán)境之外，還存在與人類生存發(fā)展息息相關(guān)的第四環(huán)境——空間環(huán)境。

瞬時(shí)發(fā)生的爆發(fā)性太陽活動(dòng)通常會(huì)引起空間環(huán)境的劇烈變化，影響地面和空間技術(shù)系統(tǒng)的運(yùn)行和可靠性，人們稱之為空間天氣（Space Weather）。

與普通天氣的“風(fēng)雨雷電”類似，空間天氣也有多種表現(xiàn)形式，包括電磁場(chǎng)、等離子體、高能粒子等多種不同尺度、不同程度的擾動(dòng)，可以說是太空中的“風(fēng)雨雷電”。

太陽每時(shí)每刻都在向外吹拂著等離子體，我們稱之為“太陽風(fēng)”，平時(shí)，地球就浸泡在太陽風(fēng)中。日冕物質(zhì)拋射就像是源自太陽的“颶風(fēng)”，它肆虐太陽系空間，會(huì)引起地球空間環(huán)境的劇烈擾動(dòng)。

空間天氣也會(huì)產(chǎn)生高能粒子“雨”。首先，太陽爆發(fā)本身就會(huì)向外釋放大量的高能粒子，并沖擊地球空間；另外，日冕物質(zhì)拋射襲擊地球時(shí)，會(huì)引起地球磁層中帶電粒子的加速，產(chǎn)生高能電子暴。

此外，太陽活動(dòng)對(duì)地球的沖擊也會(huì)引發(fā)空間電流的擾動(dòng)，引起地面磁場(chǎng)的跳變，還會(huì)產(chǎn)生極光等現(xiàn)象，這些都是太空中的“雷電”現(xiàn)象。

02

空間天氣如何影響人類生活？

空間天氣會(huì)影響人類在空間和地面運(yùn)行的各種技術(shù)系統(tǒng)。

包括航天活動(dòng)，以及與日常生活密切相關(guān)的衛(wèi)星通信、導(dǎo)航定位、防災(zāi)減災(zāi)、航空飛行、電力、輸油管道乃至鐵路運(yùn)行等。

比如與我們生活息息相關(guān)的電力系統(tǒng)，地磁暴在地面產(chǎn)生地磁感應(yīng)電流，可能使輸電網(wǎng)中的變壓器受損或者燒毀，造成停電事故。1989年的空間天氣事件就導(dǎo)致加拿大魁北克省大面積停電超過9小時(shí)。

△示意圖

航天活動(dòng)方面，空間天氣產(chǎn)生的大量高能粒子會(huì)影響衛(wèi)星的運(yùn)行安全；高層大氣密度增加會(huì)改變低軌道衛(wèi)星的運(yùn)行姿態(tài)和運(yùn)行軌道等。比如，在2022年，由于地磁暴的影響，星鏈衛(wèi)星剛剛發(fā)射的49顆衛(wèi)星，就有38顆重入大氣層燒毀。

通信導(dǎo)航定位方面，電離層作為通信導(dǎo)航定位系統(tǒng)電波信號(hào)傳播的媒介，其中的擾動(dòng)會(huì)影響通信導(dǎo)航定位的精度，甚至完全失效。

說到這里，不少人可能有個(gè)疑惑，前段時(shí)間，發(fā)生了X級(jí)大耀斑和超大地磁暴，但很多人并沒有感受到對(duì)自己生活的影響，這又是為什么呢？

這是因?yàn)椋臻g天氣除了產(chǎn)生極光這種肉眼可見的景觀之外，是一種看不見摸不著的太空現(xiàn)象，因此普通人可能沒有太強(qiáng)的切身感受。

但實(shí)際上，根據(jù)公開報(bào)道，前段時(shí)間的X級(jí)耀斑和超大地磁暴在全球范圍內(nèi)產(chǎn)生了多方面的影響。

比如，在航天活動(dòng)方面，包括中國空間站在內(nèi)的低軌衛(wèi)星或航天器遭受到了更強(qiáng)的阻力；部分衛(wèi)星暫停了科研觀測(cè)任務(wù)。

在通信導(dǎo)航定位方面，美國、日本、加拿大以及中國等多個(gè)國家報(bào)告了強(qiáng)烈的電波吸收導(dǎo)致通信中斷以及導(dǎo)航衛(wèi)星失鎖等現(xiàn)象。

在電力系統(tǒng)方面，新西蘭的電力傳輸服務(wù)臨時(shí)關(guān)閉了全國部分變電站，以防設(shè)備損壞。

△示意圖

可見，看不見摸不著的空間天氣對(duì)人類生活的影響卻是實(shí)實(shí)在在的。

尤其值得注意的是，隨著人類科技的進(jìn)步，空間天氣災(zāi)害對(duì)人類活動(dòng)的影響將越發(fā)顯著。

1859年發(fā)生的卡林頓事件是迄今為止記錄的最強(qiáng)地磁暴事件，根據(jù)科學(xué)家分析，當(dāng)時(shí)的地磁擾動(dòng)幅度是近期這個(gè)地磁暴的4倍以上。

由于當(dāng)時(shí)還沒有飛機(jī)、衛(wèi)星等，地磁暴僅對(duì)電報(bào)系統(tǒng)等造成了嚴(yán)重干擾，整體上對(duì)人類活動(dòng)影響有限。但如果卡林頓事件發(fā)生在今天而沒能有效應(yīng)對(duì)，則會(huì)給衛(wèi)星、通信、導(dǎo)航、地面電力等設(shè)施造成巨大的破壞。

不過大家也不必過于擔(dān)憂，一方面，卡林頓事件是極端的太陽活動(dòng)和空間天氣事件，也被稱為超級(jí)太陽風(fēng)暴，是幾十年乃至上百年一遇的小概率事件。另一方面，人類的防護(hù)手段和技術(shù)在進(jìn)步，空間天氣監(jiān)測(cè)預(yù)警能力也不斷提升。

03

做好空間天氣監(jiān)測(cè)預(yù)警??

中國有何大國重器？

天氣預(yù)報(bào)講究“未雨綢繆”，空間天氣預(yù)報(bào)也是一樣。

相關(guān)機(jī)構(gòu)需要盡可能提前對(duì)空間天氣事件的發(fā)生時(shí)間和強(qiáng)度進(jìn)行預(yù)報(bào)，判斷其可能產(chǎn)生的影響范圍和程度，提醒各方面采取針對(duì)性措施。

早在1992年，中國科學(xué)院國家空間科學(xué)中心就成立了空間環(huán)境預(yù)報(bào)中心，這是我國第一個(gè)專業(yè)的空間天氣預(yù)報(bào)機(jī)構(gòu)，20多年來，為我國載人航天工程等國家重大航天任務(wù)提供了全過程的空間環(huán)境預(yù)報(bào)保障。該中心同時(shí)也是國際空間環(huán)境服務(wù)組織中國區(qū)域警報(bào)中心的運(yùn)行機(jī)構(gòu)，面向全球發(fā)布空間天氣預(yù)報(bào)。

進(jìn)入本世紀(jì)，我國在空間天氣和空間環(huán)境監(jiān)測(cè)和研究方面的投入迅速增加。

空間環(huán)境監(jiān)測(cè)主要分為地基監(jiān)測(cè)和天基監(jiān)測(cè)兩種方式。 簡(jiǎn)單來理解，就是“基于地面”和“基于太空”，可以合力布下“天羅地網(wǎng)”。?

在天基探測(cè)方面，針對(duì)空間天氣的源頭——太陽，我國先后發(fā)射了“羲和號(hào)”和“夸父一號(hào)”衛(wèi)星，緊盯著太陽的一舉一動(dòng)。

在地基監(jiān)測(cè)方面，則要提到一個(gè)響亮的名字——子午工程。

這個(gè)頗為低調(diào)的大科學(xué)裝置，值得更多人了解。

先來看幾張震撼的照片。

上面這是位于四川省甘孜州的圓環(huán)陣太陽射電成像望遠(yuǎn)鏡，也被當(dāng)?shù)鼐用穹Q為“千眼天珠”。

它由313部直徑6米的拋物面天線構(gòu)成，這些天線均勻分布在直徑為1公里的圓環(huán)上，非常震撼。

它是目前全球規(guī)模最大的綜合孔徑射電望遠(yuǎn)鏡，不但能監(jiān)測(cè)太陽的各種爆發(fā)活動(dòng)，還能監(jiān)測(cè)太陽風(fēng)暴進(jìn)入行星際的過程。

上面這是位于內(nèi)蒙古錫林郭勒盟的行星際閃爍望遠(yuǎn)鏡，由我國自主研制，接收面積和靈敏度處于國際領(lǐng)先水平。

行星際空間扮演著銜接太陽和地球的關(guān)鍵紐帶作用。 從太陽大氣爆發(fā)到行星際空間傳播，再到地球空間響應(yīng)，這是一個(gè)完整的鏈條。

行星際閃爍望遠(yuǎn)鏡就聚焦這個(gè)鏈條的中間紐帶——行星際空間。它可以感知太陽風(fēng)湍流引起的射電流量的閃爍，遙測(cè)太陽風(fēng)的動(dòng)態(tài)傳播過程。

上面這是位于海南省的三站式非相干散射雷達(dá)，其主站由八千多個(gè)天線單元共同組成，是世界最先進(jìn)的地基電離層探測(cè)設(shè)備之一。

電離層，是地球上空高度約60到1000公里的高層大氣，我們?nèi)粘５耐ㄐ拧V播、導(dǎo)航、定位都離不開這個(gè)區(qū)域，但電離層“天生不安分”。

捕捉監(jiān)測(cè)電離層中各種小尺度的現(xiàn)象的“一舉一動(dòng)”，就好比是要用肉眼去觀察幾百公里外的一盞蠟燭，難度可想而知。非相干散射雷達(dá)就手握這一獨(dú)門秘籍。

△吉林龍井站

△內(nèi)蒙古四子王旗站全景

△新疆和靜站全景

上面三幅圖片展示的是北方中緯高頻雷達(dá)網(wǎng)，由3站6部高頻相干散射雷達(dá)組成，首次形成對(duì)歐亞扇區(qū)中高緯度電離層的廣域高精度連續(xù)探測(cè)。

這些都是子午工程的標(biāo)志性設(shè)備。

你可能會(huì)好奇，從四川到內(nèi)蒙古再到海南，子午工程的設(shè)備分布怎么會(huì)如此廣泛？

事實(shí)上，空間天氣擾動(dòng)是沿經(jīng)緯向分布和傳播的。基于這個(gè)特點(diǎn)，子午工程沿東經(jīng)100度和120度、北緯30度和40度，布局了31個(gè)觀測(cè)臺(tái)站，建設(shè)了282臺(tái)監(jiān)測(cè)設(shè)備，其中就包括20余臺(tái)套自主研發(fā)的具有國際先進(jìn)水平的大型監(jiān)測(cè)設(shè)備。

從中高層大氣、電離層、磁層，到行星際、太陽大氣，子午工程的探測(cè)范圍涵蓋了五大空間環(huán)境圈層，能獲取多達(dá)40類的空間環(huán)境參數(shù)。

從這一跨度，可見子午工程規(guī)模之浩大。

子午工程I期，也即“東半球空間環(huán)境地基綜合監(jiān)測(cè)子午鏈”，于2012年完成建設(shè)并投入運(yùn)行。

子午工程II期，也即“空間環(huán)境地基綜合監(jiān)測(cè)網(wǎng)”，也已經(jīng)于近期完成建設(shè)，成為國際上綜合觀測(cè)能力最強(qiáng)的地基空間天氣監(jiān)測(cè)網(wǎng)絡(luò)。子午工程II期經(jīng)國家驗(yàn)收后將進(jìn)入正式運(yùn)行，對(duì)國內(nèi)外科學(xué)家開放共享探測(cè)數(shù)據(jù)和研究成果。

空間天氣不像臺(tái)風(fēng)、地震等地球物理現(xiàn)象那樣以極端的方式影響人們的生活，很多人對(duì)子午工程也并不熟悉。

但空間天氣對(duì)人類長期發(fā)展特別是向太空的拓展至關(guān)重要，子午工程及其背后的建設(shè)團(tuán)隊(duì)、工作人員，值得我們更多關(guān)注和了解。

（受訪者為中國科學(xué)院國家空間科學(xué)中心研究員、子午工程二期總師徐寄遙，中國科學(xué)院國家空間科學(xué)中心研究員、國際空間環(huán)境服務(wù)組織中國區(qū)域警報(bào)中心主任羅冰顯，中國科學(xué)院國家空間科學(xué)中心研究員、子午工程二期總體技術(shù)組組長陳志青。）

來源：新聞聯(lián)播、央視新聞

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