太陽“打噴嚏”，航天器“躺槍”

文/杜駿豪

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

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

幽幽的極光是獨特的自然景觀，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 個條件：大氣、磁場與高能帶電粒子。太陽不斷向太空拋射出帶有巨大能量的帶電粒子，當(dāng)這些粒子來到地球附近時，被地球強(qiáng)大的磁場干擾，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)庋鄄豢梢姷陌盗髟谟縿?，來自太陽的高能帶電粒子與地球磁場相互作用，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活動密切相關(guān)的變化現(xiàn)象統(tǒng)稱作空間天氣。

▲2021 年9 月法國航天員Thomas Pesquet 在國際空間站拍攝的極光

美國在1994 年11 月將“空間天氣”定義為：太陽附近和太陽風(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，太陽風(fēng)等過度劇烈的太陽活動會引發(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，甚至對在外太空的航天員生命構(gòu)成威脅。

太陽：狂躁的萬物之母

大氣層內(nèi)的傳統(tǒng)天氣變化歸根結(jié)底還是太陽的變化。距離太陽近、日照時間長為夏季，距離太陽遠(yuǎn)、日照時間短則為冬季。所謂“寒來暑往，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)害也都與太陽活動密不可分。

空間天氣這一新興概念更是與太陽活動有直接關(guān)聯(lián)。太陽不間斷地進(jìn)行核聚變反應(yīng)，同時不間斷地向外拋射高溫電離氣體。寧靜狀態(tài)下，太陽不斷向星際空間拋射物質(zhì)的現(xiàn)象叫做太陽風(fēng)。太陽風(fēng)以每小時100 萬到1000 萬千米的速度咆哮，每秒將100萬噸物質(zhì)帶入太空。當(dāng)太陽風(fēng)遇到地球磁場時，地球磁場被“吹”變形，形成一個面向太陽的水滴狀磁層。正是因這個磁層的存在，太陽風(fēng)被拒之門外，無法對地球大氣層造成實質(zhì)性干擾，避免了地球表面大氣和水分被太陽風(fēng)侵蝕吹散?？梢哉f，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比例

▲2014 年10 月24 日，美國宇航局的SDO 天文臺拍攝的太陽黑子，最大的一顆黑子直徑接近13 萬千米，大約可以并排放下10 個地球

但是，太陽并非一直保持寧靜狀態(tài)，也會時常“打噴嚏”。太陽活動可以分為漸變型和爆發(fā)型兩類。太陽中的異常結(jié)構(gòu)諸如太陽黑子、日冕洞等屬于漸變型太陽活動，而太陽耀斑、日冕物質(zhì)拋射等則屬于爆發(fā)型太陽活動。

一次典型太陽活動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)太陽風(fēng)暴發(fā)生時，太陽風(fēng)與地球磁場的相互作用增強(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被劇烈擾動，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到太陽耀斑，也是迄今為止最強(qiáng)的太陽耀斑。這次事件導(dǎo)致美國和歐洲近20 萬千米的電報線路失靈。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讀報。夏威夷、加勒比海等中低緯度地區(qū)甚至也出現(xiàn)了未曾一見的極光。然而，在163 年前人類還沒有衛(wèi)星技術(shù)，也沒有無線電通信技術(shù)，因此這樣劇烈的磁暴現(xiàn)象引起的空間天氣變化并沒有對人們的生活產(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)星將全部報廢，通信將完全中斷，導(dǎo)航系統(tǒng)將無法正常工作，船舶和飛機(jī)將成為無頭蒼蠅，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)境重點實驗室的預(yù)測，全球總損失將達(dá)到兩萬億美元左右。

步入衛(wèi)星時代的人們雖然還沒有經(jīng)受過卡林頓事件級別的空間天氣災(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)星拍攝的一次太陽風(fēng)暴

▲天空實驗室空間站

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，600 萬居民度過了沒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，先進(jìn)的成分探測器衛(wèi)星（ACE）的太陽風(fēng)速度探測儀失靈，國際空間站軌道降低15 千米。受損最嚴(yán)重的是日本ASCA 天文觀測衛(wèi)星，太陽能電池板不能正常工作，工作人員努力拯救了2 個月后仍宣布失敗，最終衛(wèi)星失聯(lián)。

熱層暴對衛(wèi)星軌道的影響

熱層暴是地磁暴發(fā)生同時的附屬現(xiàn)象，對近地衛(wèi)星的運行軌道將產(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，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。運行在較低軌道上的航天器所受大氣阻力將成倍增長，對于無法及時升軌的航天器產(chǎn)生致命打擊。過大的大氣阻力將使航天器運行速度加快衰減，軌道高度更快地降低，將更早地再入大氣層而終結(jié)壽命。

▲天空實驗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天空實驗室空間站莫屬?！疤炜諏嶒炇摇庇?973 年5 月14 日由土星5 號火箭發(fā)射。這個重達(dá)76 噸的龐然大物被美國宇航局寄予厚望，在3 次載人飛行任務(wù)后，“天空實驗室”便進(jìn)入了任務(wù)空窗期，等待航天飛機(jī)發(fā)射成功后補充燃料抬升軌道。當(dāng)時“天空實驗室”處于約435 千米高的軌道上，工程師預(yù)計它還可以繼續(xù)在太空運行到1983 年等待航天飛機(jī)的到來。然而在1981 年航天飛機(jī)研制成功前，太陽黑子活動變得比預(yù)期更加劇烈，地球高層大氣被加熱并膨脹，更大的阻力使“天空實驗室”只能撐到1979 年。1979 年7 月11 日，“天空實驗室”帶著遺憾再入大氣層燒毀。

范·艾倫輻射帶對衛(wèi)星電子系統(tǒng)的影響

除了大氣密度增長導(dǎo)致衛(wèi)星軌道衰減速度加快外，空間天氣惡劣對衛(wèi)星本身的電子系統(tǒng)也會產(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)太陽風(fēng)暴發(fā)生時，范·艾倫輻射帶將會向外膨脹，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使衛(wèi)星表面帶電，電壓可高達(dá)上萬伏。當(dāng)電量積累到一定程度時會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，近九成的的衛(wèi)星電路系統(tǒng)故障都與太陽異常活動有關(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)美國國家空間天氣戰(zhàn)略計劃的統(tǒng)計顯示，美國每年因空間天氣影響造成的損失高達(dá)數(shù)千萬美元。1998年美國銀河4 號同步軌道通信衛(wèi)星因太陽風(fēng)暴而失效，美國80%的傳真尋呼服務(wù)癱瘓。而我國在衛(wèi)星技術(shù)發(fā)展還不成熟時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)致星載計算機(jī)受損，未達(dá)到一年的設(shè)計壽命。后來我國深刻總結(jié)了衛(wèi)星失效的教訓(xùn)，攻堅克難，大幅提高了我國衛(wèi)星的抗輻射能力，1999年5 月發(fā)射的風(fēng)云一號C 星設(shè)計壽命2 年，卻正常服役近5 年，打了一個漂亮的翻身仗。

電離層暴影響無線電波傳播

太陽活動還會導(dǎo)致地球電離層擾動，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)行無線電通信的。

▲風(fēng)云一號衛(wèi)星

電離層暴發(fā)生時，電離層的帶電粒子密度、電場分布、磁場分布等均會出現(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。帶電粒子也會轟擊衛(wèi)星的太陽能板，這是使衛(wèi)星太陽能板性能下降的罪魁禍?zhǔn)?，?yán)重者會導(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，會導(dǎo)致無線電信號的強(qiáng)度、相位等發(fā)生波動，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導(dǎo)致無線電信號折射路徑發(fā)生彎曲，引起地面跟蹤衛(wèi)星接收信號時發(fā)生偏移。各種小尺度、大尺度的電離層暴誤差累積，會導(dǎo)致衛(wèi)星信號的信噪比下降，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)星信號完全中斷。例如，2003年10 月底發(fā)生的萬圣節(jié)太陽風(fēng)暴，美國的GPS 導(dǎo)航衛(wèi)星因電離層暴現(xiàn)象被迫停用30 小時。2017 年9 月發(fā)生了較強(qiáng)的太陽耀斑事件，美國GPS和我國北斗等衛(wèi)星定位系統(tǒng)的誤差比正常時大了好幾倍。我國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)星信號是家常便飯。

▲2012 年3 月6 日由美國宇航局的SDO 天文臺拍攝到的一次X 級太陽耀斑

太空輻射對航天員的危害

處于太空中的航天員也時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，受輻射量較小時會導(dǎo)致內(nèi)分泌失調(diào)等癥狀，嚴(yán)重者會造成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的太陽耀斑事件，很有可能會導(dǎo)致急性放射病，甚至可能導(dǎo)致死亡。曾有出艙活動的航天員報告，他們的眼睛不斷出現(xiàn)異常閃光，閉上眼睛也無濟(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航天員的傷害，同時航天員執(zhí)行任務(wù)的時間也不宜過長。

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每時每刻都有可能朝地球打一個“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，對人類社會的平穩(wěn)運行與健康發(fā)展產(chǎn)生威脅。目前對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，面對空間天氣事件能夠更加游刃有余、坦然自若。