空間天氣如何影響人類

文/ 李會超

3月29日，美國白宮發(fā)布新聞稿，公布新一版的《國家空間天氣戰(zhàn)略與行動計劃》，并稱將以此為指導，進一步加強美國應對空間天氣事件的能力。

在奧巴馬執(zhí)政期間，美國曾經(jīng)制定過《國家空間天氣戰(zhàn)略》和《國家空間天氣行動計劃》。2016年，即將卸任的奧巴馬總統(tǒng)還簽署了題為《協(xié)調(diào)努力為國家做好空間天氣事件的準備》的總統(tǒng)行政命令，進一步強化美國聯(lián)邦政府應對空間天氣事件的目標和措施，以及各政府部門與機構的具體職責。

空間天氣由太陽活動控制，太陽爆發(fā)產(chǎn)生的電磁波、高能粒子和高速等離子體經(jīng)過行星際空間的傳播到達地球，在地球磁層、電離層和中高層大氣中誘發(fā)一系列劇烈變化，進而使空間天氣變得惡劣。實際上，隨著航天活動增多及其相關應用的推廣普及，空間天氣這種太空中的“陰晴雨雪”，對人類社會的正常運作產(chǎn)生的影響正與日俱增。同時，空間天氣還能對電網(wǎng)造成破壞性影響，從而對社會運行所依賴的基礎設施產(chǎn)生致命性的影響。

▲ 美國《國家空間天氣戰(zhàn)略與行動計劃》封面

航天器的隱形殺手

1991年5月，上天僅半年的我國風云一號B衛(wèi)星忽然開始失控翻轉(zhuǎn)，在控制人員發(fā)現(xiàn)并采取措施時，衛(wèi)星上的推進劑早已噴完，設計壽命為1年的衛(wèi)星僅過了半年便不得不提前報廢。而2003年10月至11月期間，日本的對地觀測衛(wèi)星ADEOS-2與地面失聯(lián)后報廢，遠在火星的火星奧德賽號探測器上的一個科學載荷也意外停止工作，無法恢復，不少其他衛(wèi)星也紛紛退出正常工作狀態(tài)，轉(zhuǎn)入安全模式避險。而造成這一切的，則是太陽高能粒子和地球附近的熱等離子體。在空間天氣狀況惡劣的情況下，他們的出現(xiàn)將會非常頻繁，對航天器安全產(chǎn)生威脅。

太陽高能粒子的來源主要有兩個，一個是太陽上爆發(fā)的耀斑，這種太陽表面能量快速釋放的現(xiàn)象所產(chǎn)生的高能粒子，往往只需要幾十分鐘就可以到達地球，而轟擊地球的持續(xù)時間從幾小時到幾天不等。另一個則是太陽上噴發(fā)的高速等離子體團，空間天氣學家們將其稱為“日冕物質(zhì)拋射”。在日冕物質(zhì)拋射向地球傳播的過程中，會推動擠壓行星際空間中阻擋它前進的等離子體，產(chǎn)生與它一起向前傳播的行星際激波。行星際激波為高能粒子的產(chǎn)生提供了加速器，當行星際激波到達地球后，就會引起地球附近的高能粒子通量增強。同時，日冕物質(zhì)拋射能夠誘發(fā)地磁暴，將熱等離子體注入到地球磁層系統(tǒng)當中。

對于航天器上的微電子元器件來說，最為懼怕的是高能粒子中能量更高的那一部分。這些高能粒子能夠穿透電子元件，造成數(shù)據(jù)錯誤、電路功能混亂或計算機整機癱瘓，引發(fā)衛(wèi)星的異?；蚬收?，甚至將衛(wèi)星徹底摧毀。而能量相對低一些的高能粒子，則可以在航天器內(nèi)部的電路板、導線等位置產(chǎn)生電荷堆積，阻礙航天器的正常工作。雖然熱等離子體的單個粒子能量不及高能粒子，無法侵入航天器內(nèi)部，但它們在航天器表面的堆積同樣會引發(fā)表面充放電效應，干擾航天器正常運行甚至造成損傷。

▲ 一次太陽耀斑事件

對于在太空中工作的航天員，高能粒子也是他們生命健康的嚴重威脅。如果耀斑和日冕物質(zhì)拋射等太陽風暴影響地球期間，航天員不按照當時的高能粒子通量水平采取審慎的防護措施，他們就有可能受到劑量超標的輻射。2003年10月～11月連續(xù)太陽風暴爆發(fā)期間，國際空間站的航天員們就轉(zhuǎn)移到了防護性能更好的艙段中躲避危險。

空間站提前墜落的元兇

地球大氣的密度隨著高度的增加而迅速減小，在LEO軌道幾百公里的高度上已經(jīng)相當稀薄。然而，對于高速運動的航天器來說，這里的大氣阻力仍然是不可忽視的。如果不主動使用發(fā)動機進行軌道維持，航天器的軌道就會不斷衰減，軌道高度越來越低，最終隕落。太陽耀斑產(chǎn)生的電磁輻射，和日冕物質(zhì)拋射誘發(fā)的地磁暴對中高層大氣的加熱，都會使LEO軌道上的大氣密度比正常情況下有所增加，航天器在此影響下必須進行額外的軌道維持，否則就可能遭遇不測。

美國“天空實驗室”提前墜落就是這一效應最典型的案例。天空實驗室是美國的第一代空間實驗室。按照美國宇航局（NASA）的計劃，這個1973年發(fā)射的空間站本應該工作到上世紀八十年代，與航天飛機一同開展空間試驗。然而，NASA在七十年代中期對太陽活動的預報出現(xiàn)了偏差，又對美國國家海洋和大氣管理局（NOAA）等與它平行的政府部門的警告充耳不聞。在阿波羅飛船最后一次造訪天空實驗室時，沒有對天空實驗室進行足夠的軌道維持。在愈發(fā)頻繁的太陽風暴吹襲下，地磁暴不斷發(fā)生，天空實驗室軌道上的高層大氣密度增大使得其軌道失控式的衰減。同時，美國的載人航天器正處在青黃不接的當口：航天飛機的研發(fā)測試尚未完成，而阿波羅飛船已經(jīng)退役，美國無法發(fā)射飛船救援天空實驗室，使得其最終在1979年提前隕落。

▲ 天空實驗室

此外，空間天氣產(chǎn)生的影響，還會使得中高層大氣的密度變得更加難以預測。對于交會對接這類需要進行軌道精準控制的操作，在大氣密度的實際值與預測值偏差較大的情況下，飛行器的實際飛行軌跡與預測的軌道就可能出現(xiàn)較大偏差，需要耗費更長的時間來不斷修正軌道，才能完成對接。

衛(wèi)星定位與無線電通信的干擾源

在距離地面60～1000公里的區(qū)域中，存在著由帶電粒子組成的電離層。無線電信號能否穿過電離層、穿過電離層時信號參數(shù)發(fā)生的變化，都與電離層的性質(zhì)有關。例如，短波信號能夠跨越大洲傳播，利用的就是電離層對這個頻段無線電信號的反射；而地面與衛(wèi)星通信時，則必須使用能夠穿透電離層的高頻信號。電離層性質(zhì)，主要受到太陽活動的影響。一旦有耀斑發(fā)生，電離層的性質(zhì)在耀斑發(fā)生的同時就會馬上產(chǎn)生變化，而日冕物質(zhì)拋射吹襲地球時，引起的地磁暴同樣會誘發(fā)電離層性質(zhì)的變化。

地面設備在接收北斗、GPS等衛(wèi)星定位系統(tǒng)所發(fā)射的定位信號，并由此推算位置信息時，已經(jīng)考慮了電離層在一般情況下的性質(zhì)。而一旦電離層的性質(zhì)由于空間天氣原因發(fā)生變化，定位信號的實際變化情況就會和設備中預置情況產(chǎn)生差異，定位設備的定位精度就會因此下降。對于日常生活中的手機定位，由于定位精度的要求不高且能夠借助手機基臺的位置進行較差定位，因此不會明顯的感受到空間天氣的影響。然而，對于定向鉆井等野外高精度作業(yè)和借助GPS實現(xiàn)的新一代航空導航與儀表降落系統(tǒng)來說，電離層變化因此的定位精度降低足以干擾他們的正常工作。

2001年，搜救中美撞機事件的我方部隊的無線電通信忽然中斷兩個小時，給搜救工作造成了一定影響。后經(jīng)專家分析，造成這一問題的原因就是電離層因太陽風暴而發(fā)生的變化。雖然遠距離無線電傳輸在一般人的日常生活中已經(jīng)很難接觸到，但在軍事和一些其他專業(yè)領域中，這種受電離層影響的通信方式仍然是不可替代的。對于應用遠距離無線電通信的部門來說，空間天氣狀況是他們必須關心的信息。

摧毀高壓電網(wǎng)的幕后黑手

在越南戰(zhàn)爭中，美軍曾經(jīng)施放了大量水雷，用以封鎖越南的港口。1967年的一天，部署在越南防城港附近海域中的四十顆美軍水雷，忽然在沒有船只經(jīng)過的情況下發(fā)生自爆，爆炸產(chǎn)生的連環(huán)效應最終引爆了4000多顆水雷。

▲ 使用各個波段對一次日冕物質(zhì)拋射的聯(lián)合觀測

這些水雷的爆炸并不是越南特工的“杰作”，而是源于日冕物質(zhì)拋射引發(fā)的地球磁場變化。日冕物質(zhì)拋射中裹挾的太陽磁場，在方向合適時能夠“剪斷”地球磁場的磁力線，將等離子體注入到地球磁場系統(tǒng)中，并將地球磁場的磁力線由朝向太陽的一側拉扯到背向太陽的一側。在這個過程中，整個地球磁場都會發(fā)生劇烈的變化，空間天氣學家們將這種現(xiàn)象稱為“地磁暴”。美軍的水雷利用船只經(jīng)過時引起的磁場變化探測敵方船只，一旦磁場變化的速度超過某一閾值便會將自身引爆。然而，當?shù)卮疟┌l(fā)生時，水雷將地磁暴引起的磁場變化誤認為是船只經(jīng)過的磁場變化，因而引爆。

地磁暴對當代社會更大的威脅，在于其可能對電網(wǎng)產(chǎn)生的破壞。地磁暴引起的磁場的劇烈變化會在長距離高壓輸電線中產(chǎn)生強烈地磁感應電流，引起電網(wǎng)供電不穩(wěn)或徹底崩潰。1989年3月的地磁暴使得加拿大魁北克地區(qū)的電網(wǎng)癱瘓，數(shù)百萬人在寒冷中度過了沒有電能供應的夜晚。如果更加強烈的太陽風暴來襲，燒毀電網(wǎng)大型核心變壓器，電網(wǎng)將就會發(fā)生長時間的癱瘓。這是因為這些大型核心變壓器多為特別定制產(chǎn)品，沒有現(xiàn)成的貨架備份可供替換，一旦損壞，短時間內(nèi)無法找到備件替換。電能是現(xiàn)代社會運作的基本條件，一旦失去供電，整個社會的運轉(zhuǎn)便會陷入停滯。據(jù)風險評估研究得出的結論，一次超強太陽風暴引起的大停電，將會給北美地區(qū)帶來數(shù)萬億美元的巨大損失。

▲ 極光是太陽風暴給地球的饋贈，然而強烈的極光活動也意味著電網(wǎng)風險的增加

▲ 魁北克大停電事故中被燒毀的變壓器

雖然特朗普上臺后對奧巴馬任職期間的政策多采取消極態(tài)度，但在空間天氣這一問題上卻延續(xù)了奧巴馬政府所形成的既定方針。在3月29日白宮發(fā)布的新聞稿中稱，特朗普總統(tǒng)為重振美國在太空中的領導地位“采取了果斷行動”，發(fā)布的新版的《國家空間天氣戰(zhàn)略與行動計劃》是實現(xiàn)特朗普目標的舉措之一。在這份計劃中，美國國家科技委員會提出了“空間天氣有備國家”（space weather-ready nation）的概念，為現(xiàn)階段國家層面應對空間天氣的行動指明了三個重點方向：一是要針對國家安全、國土安全（即美國本土安全）和商業(yè)設施與運作中容易受空間天氣影響的部分，加強其自身的防護能力；二是發(fā)展及時而準確的空間天氣監(jiān)測與預報能力，為全社會應對空間天氣事件提供關鍵信息與指導；三是制定空間天氣事件后的災后恢復方案，使遭受不可抗的空間天氣災害后，相關部門能夠按照預先研究論證過的預案和行動步驟，有條不紊的應對災害造成的損害。如果該計劃中提出的方案都能實施落地的話，美國有望在該領域繼續(xù)保持其先進地位。