什么是空間天氣？為何航天發(fā)射和“太空漫步”都關(guān)注它？

10月26日

神舟十七號載人飛船發(fā)射成功

此次載人飛行任務(wù)還將實施

航天員出艙活動及載荷出艙等

10月26日，搭載神舟十七號載人飛船的長征二號F遙十七運載火箭在酒泉衛(wèi)星發(fā)射中心點火發(fā)射 圖/人民日報微博

那么

航天發(fā)射和航天員“太空漫步”

與空間天氣有何關(guān)系？

為何航天員尤為關(guān)注空間天氣？

什么是空間天氣？會帶來哪些影響？

在一些高緯度國家和地區(qū)，可以看到絢爛的極光在夜空飄蕩，訴說美麗的同時也“泄露”著宇宙的秘密——空間天氣。

空間天氣在日地空間中，能影響空間、地面技術(shù)系統(tǒng)的運行和可靠性，以及危害人類健康和生命的條件、狀態(tài)或事件。“太陽活動是空間天氣變化的主要源頭，因此太陽活動的強(qiáng)弱是決定空間天氣的主要因素。”國家衛(wèi)星氣象中心空間天氣預(yù)報臺首席預(yù)報員陳安芹說。

風(fēng)云三號E星太陽望遠(yuǎn)鏡極紫外通道監(jiān)測到一次耀斑爆發(fā)畫面 圖片來源：國家空間天氣監(jiān)測預(yù)警中心

空間天氣中的“風(fēng)”是太陽風(fēng)，“雨”則是來自太陽的帶電粒子雨，與地球上的天氣一樣，空間天氣也會“陰晴不定”。在太陽活動低年時，空間天氣較為平靜。而在太陽活動高年時，太陽風(fēng)暴則頻繁發(fā)生、形式多樣，如耀斑、日冕物質(zhì)拋射、日珥爆發(fā)等。“太陽上的耀斑像是突如其來的龍卷風(fēng)，而CME（日冕物質(zhì)噴發(fā)）則像臺風(fēng)，這些，都如同外層空間的‘狂風(fēng)暴雨’”，陳安芹解釋道。

空間天氣看似遙遠(yuǎn)亦或不相干，其實它無所不在、充斥在我們生活的方方面面。比如，當(dāng)太陽風(fēng)暴爆發(fā)時，輪船、汽車，甚至智能手機(jī)都會受到干擾，出現(xiàn)定位不準(zhǔn)等問題。

事實上，太陽風(fēng)暴通常對地球造成三輪沖擊：

第一輪：太陽耀斑爆發(fā)時，其發(fā)出的電磁波以光速傳向地球，八分半鐘即可抵達(dá)地球，引起電離層騷擾，影響高頻無線電通信、導(dǎo)航定位等；

第二輪：其攜帶的高能質(zhì)子在幾十分鐘至十幾個小時后到達(dá)地球，引起電離層D區(qū)吸收，影響航空通信、衛(wèi)星運行等；

第三輪：其伴隨的日冕物質(zhì)拋射，則在約三天后到達(dá)地球，引起地磁暴、磁層亞暴，并且可能影響低軌衛(wèi)星的軌道高度、電網(wǎng)的安全運行以及地質(zhì)勘探等。

除了會影響我們的日常生活，超級太陽風(fēng)暴對高科技設(shè)備系統(tǒng)的影響更大。國家空間天氣監(jiān)測預(yù)警中心首席預(yù)報員宋喬說，如2000年7月14日的“巴士底日事件”致使多顆人造衛(wèi)星出現(xiàn)圖像質(zhì)量下降、數(shù)據(jù)丟失、軌道下降等情況 。其中，受影響最嚴(yán)重的日本ASCA衛(wèi)星，最終墜入地球大氣層燒毀。

“太空漫步”會遇到哪些空間天氣？

國家衛(wèi)星氣象中心空間天氣技術(shù)研發(fā)室正高級工程師薛炳森表示，中國空間站位于400公里左右高度的軌道，要經(jīng)歷嚴(yán)酷的空間環(huán)境，比如高真空、高能粒子輻射、從100℃到100℃的高低溫交變等。另外，還可能遭遇對空間站威脅最大的空間碎片。而隨著近地衛(wèi)星的迅速擴(kuò)容，空間站的軌道也變得擁擠起來，特別是星鏈組網(wǎng)衛(wèi)星的發(fā)射，將會有數(shù)萬顆衛(wèi)星穿越空間站軌道，殘留大量碎片，使航天員所駐扎的空間站環(huán)境變得更加兇險。

長期駐留空間站的航天員還需關(guān)注輻射環(huán)境，在近地軌道高度，巴西上空常年存在穩(wěn)定的高能粒子通量異常區(qū)，空間站每天都會多次穿越該區(qū)域，是伴隨空間站全生命周期的一種惡劣境；在太陽活動高年，不定期發(fā)生的太陽質(zhì)子事件也會引起空間站輻射環(huán)境的惡化。

對于這些高能粒子，空間站的“外墻”可以將其阻擋，但在超級太陽質(zhì)子事件爆發(fā)期，如1989年7月和2003年11月的質(zhì)子事件，導(dǎo)致國際空間站輻射嚴(yán)重超標(biāo)，航天員被迫進(jìn)入返回艙躲避。

神舟十四號航天員在艙外操作圖片來源：新華社

“雖然空間站對于空間碎片和輻射環(huán)境有足夠的防護(hù)條件和嚴(yán)謹(jǐn)?shù)膽?yīng)急預(yù)案，但脫離了空間站防護(hù)層的保護(hù)時就變得相當(dāng)危險。對于航天員來說，航天服雖然可以起到保護(hù)作用，但空間中存在數(shù)量較多且很難被發(fā)現(xiàn)的小碎片，一旦擊中航天服，后果不堪設(shè)想。”薛炳森說，“這，就需要準(zhǔn)確的空間天氣預(yù)報。”

空間天氣預(yù)報為航天員系好“安全帶”

“空間天氣預(yù)報主要目的是預(yù)測預(yù)報空間天氣事件及其影響。”陳安芹說，預(yù)報員會綜合分析監(jiān)測數(shù)據(jù)，結(jié)合統(tǒng)計模型和數(shù)值模擬結(jié)果等做出預(yù)報，經(jīng)與首席預(yù)報員會商并得出預(yù)報結(jié)論后，制作各種預(yù)報產(chǎn)品。

當(dāng)前，空間天氣預(yù)報產(chǎn)品種類豐富，包括日報、周報、月報、年報等。例如，日報主要總結(jié)過去24小時的空間天氣情況，并預(yù)報未來1至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。“當(dāng)有大耀斑、強(qiáng)地磁暴等重要空間天氣事件發(fā)生時，還會發(fā)布空間天氣預(yù)警、現(xiàn)報等產(chǎn)品，讓公眾和專業(yè)用戶及時掌握太陽活動的最新動向。”

當(dāng)下，空間天氣預(yù)報正從經(jīng)驗預(yù)報時代邁向數(shù)值預(yù)報時代。宋喬表示，以觀測數(shù)據(jù)和科學(xué)理論為基礎(chǔ)，通過太陽表面物理參數(shù)預(yù)測耀斑發(fā)生的概率、通過數(shù)值模型計算太陽風(fēng)參數(shù)等方法在不斷發(fā)展，預(yù)報水平穩(wěn)步提高，為我國衛(wèi)星發(fā)射和載人航天，地面技術(shù)系統(tǒng)、導(dǎo)航、通信等保駕護(hù)航。

航天員的出艙活動時間會經(jīng)過嚴(yán)密計算與安排。“準(zhǔn)確的空間天氣預(yù)報，將為航天員‘太空漫步’保駕護(hù)航，不會讓其遭遇太陽質(zhì)子事件。”薛炳森說，“地面系統(tǒng)時刻監(jiān)視著太陽高能粒子的變化，一旦突破閾值就會緊急命令航天員返回艙內(nèi)。”

北京時間2023年7月20日，神舟十六號航天員出艙活動取得圓滿成功圖片來源：中國載人航天

國家衛(wèi)星氣象中心（國家空間天氣監(jiān)測預(yù)警中心）作為國家級空間天氣業(yè)務(wù)單位，為航天器發(fā)射及在軌運行提供空間天氣預(yù)報及影響評估服務(wù)，為載人航天任務(wù)提供出艙時間窗口預(yù)報，避免航天員出艙活動時剛好遭遇嚴(yán)重的太陽高能粒子輻射。

預(yù)報員根據(jù)太陽表面黑子的形態(tài)和演化特征，能夠提前1至3天知曉太陽質(zhì)子事件的爆發(fā)和強(qiáng)度，航天地面系統(tǒng)可以根據(jù)預(yù)報結(jié)果安排航天員出艙，提供更高的出艙安全系數(shù)；如果預(yù)測到超強(qiáng)太陽質(zhì)子事件，氣象部門則直接向航天系統(tǒng)發(fā)出警報，使航天員進(jìn)入屏蔽艙；強(qiáng)地磁擾動會引起空間站軌道上大氣密度的大幅升高，預(yù)報員預(yù)測到強(qiáng)地磁事件時，將會提請航天部門提前準(zhǔn)備應(yīng)對軌道高度的突然下降。

另外，國家衛(wèi)星氣象中心專門開發(fā)了空間碎片碰撞預(yù)警系統(tǒng)，能夠?qū)崟r預(yù)報太空中高速飛行的碎片位置，為包括風(fēng)云衛(wèi)星在內(nèi)的航天器安全運行提供保障。

2008年，神舟七號載人飛船指令長翟志剛成為我國第一位太空出艙的航天員，國家衛(wèi)星氣象中心結(jié)合空間天氣環(huán)境準(zhǔn)確預(yù)報出艙窗口時間；2011年，神舟八號飛船與天宮一號實驗艙首次進(jìn)行太空交會對接，衛(wèi)星中心根據(jù)對接軌道環(huán)境，對窗口期前后時間段的空間天氣做出準(zhǔn)確研判，為任務(wù)的順利完成提供了重要保障。

作者：林禹彤唐淼于桐

來源： 中國氣象