監(jiān)測、預報空間天氣，人類在行動

文/杜危

▲在不同波段對太陽進行觀測所獲取的拼合圖像

▲太陽活動具有11 年的周期性變化

空間天氣監(jiān)測的特點

隨著航天技術發(fā)展，人類社會對各類人造衛(wèi)星依賴程度顯著增加。這也意味著我們受空間天氣危害的威脅也在增加。研究空間天氣的最終目的是能夠預測太陽和近地空間中可能產(chǎn)生對社會安定和經(jīng)濟發(fā)展產(chǎn)生有害影響的事件，未雨綢繆地在足夠準確且足夠充分的情況下預防并采取相應的措施。

美國于1970 年成立了美國國家海洋和大氣管理局（NOAA），負責對空間天氣進行監(jiān)測與預報，并在1994 年11 月正式發(fā)表了“美國國家空間天氣戰(zhàn)略計劃”。我國也十分重視發(fā)展空間天氣學有關研究，2002 年6 月1 日中央機構編制委員會批準中國氣象局成立國家空間天氣監(jiān)測預警中心，承擔我國空間天氣監(jiān)測預警、預報發(fā)布和應用服務的職責。在2021 年11 月，中俄聯(lián)合體全球空間天氣中心在北京揭牌，大大提升了中國空間天氣服務的國際影響力。

與人們生活息息相關的天氣預報更多局限在20 千米以下的對流層內，預報的范圍也更多細分到市級或區(qū)級行政單位。空間天氣預報與之相比有較大差異，主要體現(xiàn)在監(jiān)測時空尺度、監(jiān)測參數(shù)、監(jiān)測相關性等方面。

第一，空間天氣的監(jiān)測空間、時間范圍均很大，其變化程度也很大。從地表60 千米的大氣層直到太陽表面都是空間天氣的監(jiān)測空間，要同時對太陽及太陽風、地球磁層、地球電離層、地球熱層等系統(tǒng)進行監(jiān)測。另外，時間尺度也是空間天氣監(jiān)測與預報需要考慮的，從太陽幾分鐘內的劇烈變化到長達11 年的周期性變化均要考慮到。

▲發(fā)射前的SOHO 衛(wèi)星正在地面測試

▲SDO 天文臺示意圖

第二，空間天氣的監(jiān)測參數(shù)多?？臻g天氣預報水平主要取決于空間天氣監(jiān)測能力及對物理規(guī)律的認知水平，而這就反映在對物理參數(shù)的監(jiān)測水平上。這些參數(shù)包括太陽黑子數(shù)、太陽耀斑、日冕物質拋射、多波段電磁輻射等太陽活動參數(shù)；也包括太陽風密度、太陽風速度、行星際磁場大小、磁場方向等行星際活動參數(shù)；還包括地球磁層帶電粒子能量、磁場分布、電離層電子濃度、電離層臨界頻率、電離層擾動和閃爍、電子通量增強事件、粒子沉降、輻射帶變化、中高層大氣密度和溫度、風速和成分等近地磁層、電離層、中高層大氣活動參數(shù)。如此多的監(jiān)測參數(shù)意味著所需衛(wèi)星的種類和數(shù)量要比普通氣象衛(wèi)星多得多，地面觀測的內容和方法也與普通氣象觀測大相徑庭。

第三，空間天氣監(jiān)測現(xiàn)象的相關性強。太陽日冕物質拋射、行星際風暴、地磁暴、電離層暴、中高層大氣熱層暴和宇宙射線暴等都存在著很強的時序性與因果相關性。各種不同的空間天氣事件的源頭可能相同，只是同一事件在不同時空區(qū)域內有不同表現(xiàn)。厘清各種獨立空間天氣現(xiàn)象之間的因果關系對空間天氣預報有重要意義。

太陽監(jiān)測

空間天氣問題可以劃歸為兩大方面：一是太陽風暴的形成、傳播與演化，二是太陽風吹過地球時所引起的近地空間環(huán)境的變化。因此，對空間環(huán)境的監(jiān)測方式大體可以劃分成太陽監(jiān)測與地球監(jiān)測兩大方面。太陽是幾乎所有空間天氣事件的源頭，因此對太陽的監(jiān)測至關重要。

監(jiān)測太陽的衛(wèi)星眾多，它們各司其職，共同使人類對太陽的認識更加完善，在此選擇幾個代表性探測器進行介紹。1995 年美國和歐洲共同發(fā)射了太陽與日球層天文臺（SOHO），對太陽的日冕結構、日冕成分、日冕演化方式、太陽風的成分、太陽光球層的磁場等參數(shù)進行了全面的監(jiān)測與測量，它能對太陽爆發(fā)性活動提前30多分鐘向地球發(fā)出警報，為人類作出了突出貢獻。

▲2010 年9 月15 日由SDO 天文臺在極紫外光下拍攝的太陽噴發(fā)的日珥變化過程

▲2012 年8 月31 日SDO 天文臺拍攝的高清日冕物質拋射圖像

▲2006年12月13日由Hinode衛(wèi)星的太陽光學望遠鏡拍攝的可見光下太陽黑子的顆粒狀結構，其直徑約2 萬千米

▲風云三號E 氣象衛(wèi)星于2022 年2 月2 日22 點22 分拍攝的太陽

2010 年美國發(fā)射了功能強大的太陽動力學天文臺（SDO）。SDO天文臺的目標是通過研究小尺度空間和時間以及不同波長下的太陽大氣，以及太陽磁場是如何產(chǎn)生和變化的，來解答太陽的能量是如何以太陽風、高能粒子和太陽輻照度變化的形式轉換并釋放到日光層和地球空間中，并對地球和近地空間產(chǎn)生影響的。

2015 年美國發(fā)射的深空氣候觀測站（DSCOVR），是NOAA 的空間天氣、空間氣候和地球觀測衛(wèi)星。DSCOVR 觀測站運行于日地拉格朗日L1 點，在此處可以同時對太陽和地球進行連續(xù)、穩(wěn)定的觀測。它的任務重心是對太陽的日冕物質拋射進行早期預警，同時提供地球觀測和氣候監(jiān)測服務。

日本自上世紀90 年代起連續(xù)發(fā)射了Hinotori、Yohkoh 和Hinode 三 顆太陽探測衛(wèi)星，對太陽耀斑、日冕、磁場進行了系統(tǒng)性檢測與研究。日本憑借這三顆衛(wèi)星，在對太陽探測，特別是X 射線波段的探測上占有了一席之地。

▲風云四號衛(wèi)星

我國太陽觀測也實現(xiàn)了與國際接軌。風云二號、風云三號和風云四號等氣象衛(wèi)星不僅承擔常規(guī)天氣預報工作，它們還攜帶了8 類空間天氣監(jiān)測設備，包括太陽紫外與軟X 射線成像儀、太陽高能粒子監(jiān)測儀、太陽紫外流量監(jiān)測儀、軟X 射線流量監(jiān)測儀、硬X 射線流量監(jiān)測儀等重要太陽監(jiān)測設備，具有全天候、多層次對太陽監(jiān)測的能力。

我國在2021 年10 月14 日發(fā)射的羲和號衛(wèi)星，是中國首顆太陽探測科學技術試驗衛(wèi)星，使用太陽空間望遠鏡實現(xiàn)國際首次太陽Hα 波段光譜成像的空間探測。2022 年下半年，我國將會發(fā)射先進天基太陽天文臺（ASO-S），其科學目標簡稱為“一磁兩暴”，即對太陽磁場、耀斑爆發(fā)和日冕物質拋射進行全方位探測，對三者起源及三者間可能存在的因果關系進行研究，兼具空間天氣預警能力。

▲工程師在檢查IMP-A 衛(wèi)星

▲由IMP-A 衛(wèi)星數(shù)據(jù)繪制的地球磁場結構

近地監(jiān)測

對人類來說，近地空間發(fā)生的各種空間天氣現(xiàn)象是更加直接的威脅來源。因此除了對太陽的監(jiān)測之外，對地球周圍電離層、熱層、磁層等的監(jiān)測也同樣不可忽略。

美國從1963 年到1973 年連續(xù)發(fā)射了10 顆星際監(jiān)測平臺衛(wèi)星(IMP)，對太陽風與地球磁層環(huán)境之間的相互影響進行了長期觀測。最后一顆衛(wèi)星的任務一直進行到2006 年，持續(xù)了43 年之久，是地球磁層研究的先驅者。它見證了整個美蘇太空爭霸過程，充滿了傳奇色彩。

美國的全球空間科學計劃太陽風衛(wèi)星（Wind）于1994 年11 月1 日從卡納維拉爾角空軍基地發(fā)射成功，是美國宇航局全球地球空間科學計劃的第一顆衛(wèi)星。它至今仍在正常運行，若不考慮零件老化，其富足的燃料甚至可供其正常運行到2070 年。它被用于研究太陽風和地球磁層中的無線電波和等離子體，了解日地等離子體的行為，以預測地球大氣將如何響應太陽風條件的變化。全球空間科學計劃極地衛(wèi)星（Polar）是全球空間科學計劃太陽風衛(wèi)星的姊妹星，旨在研究地球極地的磁層和極光，可以對全球極光進行成像。它于1996 年2 月發(fā)射，工作到2008 年4 月終止任務。其在任務全過程中收集了極光的多波長影像，測量了等離子體在極地磁層、等離子體在電離層的流動現(xiàn)象，以及粒子在電離層和高層大氣中的沉積現(xiàn)象。

▲正在地面測試的全球空間科學計劃太陽風衛(wèi)星

歐空局和美國還在2000 年開始合作進行了由4 顆衛(wèi)星組成的集群-Ⅱ衛(wèi)星系統(tǒng)(Cluster Ⅱ)，目前任務仍在進行。這些衛(wèi)星圍繞地球組成一個四面體結構，對地球磁層進行三維測量，首次收集有關太陽風如何與磁層相互作用并影響近地空間及其大氣的三維信息。

中國國家航天局在2003 年與歐空局聯(lián)合開展的探索者雙星任務（Double Star），是我國首次發(fā)射地球磁層研究衛(wèi)星。兩顆衛(wèi)星分別是赤道衛(wèi)星與極地衛(wèi)星，對地球磁層中的各種物理變化進行了研究。

除了對磁層進行研究外，美國在2001 年發(fā)射了人類第一顆直接探測大氣中間層、熱層和電離層的衛(wèi)星：熱層·電離層·中間層能量學和動力學衛(wèi)星（TIMED）。它的探測范圍是地表60 到180 千米之間，是太陽輻射能量與地球大氣相互作用后沉積的區(qū)域，極大推進了人類對這一片區(qū)域的認知。

▲中國國家航天局-歐空局雙星任務徽章

歐空局和美國的集群Ⅱ任務示意圖

我國的風云系列氣象衛(wèi)星除了承擔對太陽的觀測、對常規(guī)天氣的預報外，也攜帶了研究地球高層大氣的有關儀器，比如磁場監(jiān)測儀、磁層內高能粒子監(jiān)測儀等，可以說對空間天氣具有全方位監(jiān)測能力。

值得一提的是，人工智能等新興技術目前也廣泛應用于地磁預報等研究方向。借助人工智能技術，可以更加快速、準確地對各種空間天氣現(xiàn)象進行預測，為空間天氣預報能力注入了全新的動力。

▲撫仙湖觀測站主力觀測設備：一米真空紅外太陽望遠鏡

地面監(jiān)測

在地面可以對太陽進行磁場觀測、光學觀測和射電觀測。地面的太陽觀測站經(jīng)常用普通的光學望遠鏡對太陽黑子進行觀測，每天測量日面上的太陽黑子數(shù)、黑子面積、位置、運動和演化等等。使用單色光望遠鏡可以不間斷對太陽耀斑以及太陽色球物質的噴發(fā)現(xiàn)象進行實時觀測，及時將有關信息提供給空間天氣服務與預報組織。用太陽磁場望遠鏡可以獲得日面磁場分布和變化的形態(tài)，有些海拔較高的天文臺還擁有日冕儀，可以監(jiān)測日冕的實時變化。比如我國云南天文臺撫仙湖觀測站擁有一米真空紅外太陽望遠鏡、紅外太陽爆發(fā)監(jiān)測望遠鏡和太陽低頻射電頻譜儀，可以對太陽進行高分辨率成像和光譜觀測，包括測量太陽磁場的精細結構、高時空分辨率的演化過程，達到了國際先進水平。

▲子午工程示意圖

由中國科學院牽頭，我國還建設了規(guī)模龐大的子午工程。這個工程的目標是在我國東經(jīng)120 度子午線上，從漠河經(jīng)北京、武漢、海南，延伸到南極中山站，建立一條空間環(huán)境綜合監(jiān)測鏈，為載人航天等重大航天項目提供空間天氣保障。

這一工程還進行了擴展，除南北方向的子午線外，還建立起一條東起上海，經(jīng)武漢、成都，西至拉薩的沿北緯30°線的東西支鏈，形成了一個鏈網(wǎng)結合的完整監(jiān)測網(wǎng)絡。工程綜合運用地磁、無線電、光學和探空火箭等多種手段，連續(xù)監(jiān)測地球表面20 千米到幾百千米的中高層大氣、電離層和磁層以及行星際空間的環(huán)境參數(shù)，成為世界僅有的、跨度最長的、功能最齊全的、綜合性最高的子午監(jiān)測鏈，大大提升了中國在空間環(huán)境的地基監(jiān)測方面的國際影響力。

空間天氣預報的準確性、可靠性和及時性十分重要，這對減少或避免空間天氣事件對人類社會的危害有直接關系。如今人類對太陽、近地空間環(huán)境、空間天氣的認知還是不完善、不充分的，需要一代代研究者、一顆顆衛(wèi)星前赴后繼地努力。有朝一日人類面對重大空間天氣威脅時，一定可以做到“任爾東西南北風”般泰然自若。