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“地磁暴凸顯空間天氣預(yù)報重要性。”

前段時間，地球出現(xiàn)幾十年來最強地磁暴之一，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，北京八達嶺長城可見極光。

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

地球上的天氣預(yù)報我們都很熟悉，那什么是空間天氣呢？

太陽打噴嚏，地球可能會“感冒”，空間天氣會如何影響人類生活？

很多人可能不知道，我國有一批大國重器，在對空間天氣進行持續(xù)的監(jiān)測和預(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，人類進入空間時代。從此，人們開始意識到在陸地、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。

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

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

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

空間天氣也會產(chǎn)生高能粒子“雨”。首先，太陽爆發(fā)本身就會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，會引起地球磁層中帶電粒子的加速，產(chǎn)生高能電子暴。

此外，太陽活動對地球的沖擊也會引發(fā)空間電流的擾動，引起地面磁場的跳變，還會產(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？

空間天氣會影響人類在空間和地面運行的各種技術(shù)系統(tǒng)。

包括航天活動，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。

△示意圖

航天活動方面，空間天氣產(chǎn)生的大量高能粒子會影響衛(wèi)星的運行安全；高層大氣密度增加會改變低軌道衛(wèi)星的運行姿態(tài)和運行軌道等。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)電波信號傳播的媒介，其中的擾動會影響通信導(dǎo)航定位的精度，甚至完全失效。

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

這是因為，空間天氣除了產(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的切身感受。

但實際上，根據(jù)公開報道，前段時間的X級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的阻力；部分衛(wèi)星暫停了科研觀測任務(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國家報告了強烈的電波吸收導(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人類生活的影響卻是實實在在的。

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

1859年發(fā)生的卡林頓事件是迄今為止記錄的最強地磁暴事件，根據(jù)科學(xué)家分析，當時的地磁擾動幅度是近期這個地磁暴的4倍以上。

由于當時還沒有飛機、衛(wèi)星等，地磁暴僅對電報系統(tǒng)等造成了嚴重干擾，整體上對人類活動影響有限。但如果卡林頓事件發(fā)生在今天而沒能有效應(yīng)對，則會給衛(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憂，一方面，卡林頓事件是極端的太陽活動和空間天氣事件，也被稱為超級太陽風暴，是幾十年乃至上百年一遇的小概率事件。另一方面，人類的防護手段和技術(shù)在進步，空間天氣監(jiān)測預(yù)警能力也不斷提升。

03

做好空間天氣監(jiān)測預(yù)警??

中國有何大國重器？

天氣預(yù)報講究“未雨綢繆”，空間天氣預(yù)報也是一樣。

相關(guān)機構(gòu)需要盡可能提前對空間天氣事件的發(fā)生時間和強度進行預(yù)報，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)報中心，這是我國第一個專業(yè)的空間天氣預(yù)報機構(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)報保障。該中心同時也是國際空間環(huán)境服務(wù)組織中國區(qū)域警報中心的運行機構(gòu)，面向全球發(fā)布空間天氣預(yù)報。

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

空間環(huán)境監(jiān)測主要分為地基監(jiān)測和天基監(jiān)測兩種方式。 簡單來理解，就是“基于地面”和“基于太空”，可以合力布下“天羅地網(wǎng)”。?

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

在地基監(jiān)測方面，則要提到一個響亮的名字——子午工程。

這個頗為低調(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鏡，也被當?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鏡，不但能監(jiān)測太陽的各種爆發(fā)活動，還能監(jiān)測太陽風暴進入行星際的過程。

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)，這是一個完整的鏈條。

行星際閃爍望遠鏡就聚焦這個鏈條的中間紐帶——行星際空間。它可以感知太陽風湍流引起的射電流量的閃爍，遙測太陽風的動態(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，其主站由八千多個天線單元共同組成，是世界最先進的地基電離層探測設(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、定位都離不開這個區(qū)域，但電離層“天生不安分”。

捕捉監(jiān)測電離層中各種小尺度的現(xiàn)象的“一舉一動”，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。非相干散射雷達就手握這一獨門秘籍。

△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網(wǎng)，由3站6部高頻相干散射雷達組成，首次形成對歐亞扇區(qū)中高緯度電離層的廣域高精度連續(xù)探測。

這些都是子午工程的標志性設(shè)備。

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

事實上，空間天氣擾動是沿經(jīng)緯向分布和傳播的。基于這個特點，子午工程沿東經(jīng)100度和120度、北緯30度和40度，布局了31個觀測臺站，建設(shè)了282臺監(jiān)測設(shè)備，其中就包括20余臺套自主研發(fā)的具有國際先進水平的大型監(jiān)測設(shè)備。

從中高層大氣、電離層、磁層，到行星際、太陽大氣，子午工程的探測范圍涵蓋了五大空間環(huán)境圈層，能獲取多達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)測子午鏈”，于2012年完成建設(shè)并投入運行。

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

空間天氣不像臺風、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，很多人對子午工程也并不熟悉。

但空間天氣對人類長期發(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)團隊、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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