重新認(rèn)識(shí)太陽(yáng)（六） 未來(lái)的天氣預(yù)報(bào)：空間天氣預(yù)報(bào)

◆韓大洋

“我們的征途是星辰大?！?，這是面對(duì)未知且浩瀚的宇宙時(shí)，人類(lèi)發(fā)自?xún)?nèi)心深處的呼喊，更是努力前進(jìn)的方向。隨著人類(lèi)進(jìn)入太空時(shí)代，越來(lái)越多空間活動(dòng)得以開(kāi)展，新的問(wèn)題不斷出現(xiàn)。經(jīng)過(guò)近幾十年的高速發(fā)展，在面對(duì)太陽(yáng)爆發(fā)活動(dòng)帶來(lái)的巨大影響時(shí)，人類(lèi)已經(jīng)從最初的不知所措變得應(yīng)對(duì)自如了。

一起看太陽(yáng)“直播”

空間天氣預(yù)報(bào)就是通過(guò)預(yù)判太陽(yáng)可能出現(xiàn)的活動(dòng)，從而對(duì)地球周?chē)目臻g環(huán)境變化進(jìn)行預(yù)測(cè)。與傳統(tǒng)的天氣預(yù)報(bào)一樣，要想預(yù)測(cè)太陽(yáng)活動(dòng)，首先要解決的就是“看得見(jiàn)”的問(wèn)題。

為此，人們想到了望遠(yuǎn)鏡，通過(guò)架設(shè)在地面臺(tái)站的大口徑望遠(yuǎn)鏡，對(duì)太陽(yáng)的光球、色球?qū)舆M(jìn)行觀測(cè)，從而獲取太陽(yáng)黑子活動(dòng)區(qū)、磁場(chǎng)形態(tài)結(jié)構(gòu)、太陽(yáng)射電強(qiáng)度等關(guān)鍵信息。位于山東省石島氣象臺(tái)的空間天氣太陽(yáng)監(jiān)測(cè)站，分別架設(shè)了太陽(yáng)光球色球望遠(yuǎn)鏡與太陽(yáng)射電望遠(yuǎn)鏡，它們協(xié)同工作，共同為預(yù)報(bào)員提供監(jiān)測(cè)資料。

圖1 圓環(huán)陣太陽(yáng)射電成像望遠(yuǎn)鏡（圖/中國(guó)科學(xué)院國(guó)家空間科學(xué)中心 供）

但在地球自轉(zhuǎn)的影響下，單個(gè)臺(tái)站只能在一段時(shí)間內(nèi)對(duì)太陽(yáng)進(jìn)行監(jiān)測(cè)，隨著太陽(yáng)的西落，監(jiān)測(cè)工作就會(huì)暫停。為了滿(mǎn)足業(yè)務(wù)需要，提供盡量長(zhǎng)的監(jiān)測(cè)時(shí)間，在石島氣象臺(tái)西邊約3500 千米的新疆溫泉縣氣象局，也建立了太陽(yáng)監(jiān)測(cè)站，將太陽(yáng)的監(jiān)測(cè)時(shí)間延長(zhǎng)了約3 個(gè)小時(shí)。

盡管如此，望遠(yuǎn)鏡在地面開(kāi)展太陽(yáng)監(jiān)測(cè)仍然會(huì)受到天氣、大氣視寧度等眾多條件的限制，于是，科學(xué)家想到了利用衛(wèi)星。2021 年7 月5 日，我國(guó)第二代極軌氣象衛(wèi)星風(fēng)云三號(hào)E 星成功發(fā)射，它攜帶的X射線(xiàn)與極紫外波段太陽(yáng)望遠(yuǎn)鏡按計(jì)劃順利開(kāi)機(jī)，并成功拍攝了我國(guó)首幅太空中太陽(yáng)的圖像，一方面填補(bǔ)了我國(guó)空間太陽(yáng)監(jiān)測(cè)的空白，同時(shí)也解決了以往關(guān)鍵資料數(shù)據(jù)“卡脖子”的問(wèn)題。

現(xiàn)在，國(guó)家空間天氣監(jiān)測(cè)預(yù)警中心的預(yù)報(bào)員每天都要使用風(fēng)云三號(hào)E 星拍攝的太陽(yáng)極紫外圖像，以掌握太陽(yáng)黑子活動(dòng)區(qū)、冕洞區(qū)域的最新動(dòng)向，甚至包括耀斑的爆發(fā)過(guò)程。通過(guò)對(duì)太陽(yáng)不間斷地觀測(cè)，再對(duì)分鐘級(jí)的圖像資料進(jìn)行加工處理，就可以制作出太陽(yáng)活動(dòng)的視頻，當(dāng)通過(guò)數(shù)據(jù)系統(tǒng)查看太陽(yáng)監(jiān)測(cè)視頻時(shí)，就如同是觀看太陽(yáng)“直播”一般。

摸清太陽(yáng)“脾氣”，把脈空間天氣

與地面大氣活動(dòng)不同，空間天氣幾乎都是看不見(jiàn)又摸不著的，就像《西游記》中孫悟空懸絲診脈一般，需要在變化莫測(cè)的空間環(huán)境中尋找現(xiàn)象背后的本質(zhì)。然而，獲取太陽(yáng)的活動(dòng)圖像只是第一步，還需要借助科學(xué)的預(yù)報(bào)方法。

圖2 空間天氣態(tài)勢(shì)圖（圖/國(guó)家空間天氣監(jiān)測(cè)預(yù)警中心 供）

太陽(yáng)活動(dòng)的爆發(fā)位置、活動(dòng)類(lèi)型、傳播特點(diǎn)以及影響效應(yīng)不同，預(yù)報(bào)、預(yù)警也會(huì)有所側(cè)重，對(duì)于發(fā)生即“命中”地球的耀斑，預(yù)報(bào)顯得至關(guān)重要。在一個(gè)以11 年為周期的太陽(yáng)活動(dòng)周里，存在太陽(yáng)活動(dòng)的低谷期，此時(shí)黑子數(shù)量少，甚至一個(gè)黑子都看不到，這對(duì)以黑子能量為爆發(fā)基礎(chǔ)的耀斑而言就是釜底抽薪，預(yù)報(bào)員會(huì)通過(guò)黑子數(shù)量從宏觀角度整體判斷耀斑發(fā)生的可能性。而在太陽(yáng)活動(dòng)頻發(fā)的峰值年，黑子數(shù)量多、面積大，此時(shí)就要針對(duì)太陽(yáng)黑子的外形、面積、內(nèi)部磁場(chǎng)結(jié)構(gòu)與類(lèi)型的連續(xù)變化，判斷其內(nèi)部磁場(chǎng)能量積蓄的情況，從而預(yù)判耀斑活動(dòng)發(fā)生的可能性。

對(duì)于日冕物質(zhì)拋射活動(dòng)，在監(jiān)測(cè)到其爆發(fā)后，它能否到達(dá)地球、何時(shí)到達(dá)以及能夠產(chǎn)生多大的影響成為預(yù)報(bào)的重點(diǎn)。日冕物質(zhì)拋射的爆發(fā)位置很重要，當(dāng)它出現(xiàn)在背對(duì)地球一面時(shí)可以不用擔(dān)心，反之，就要根據(jù)其噴發(fā)強(qiáng)度、角度、速度等關(guān)鍵參數(shù)，以及是否結(jié)合其他活動(dòng)比如冕洞高速太陽(yáng)風(fēng)，對(duì)可能造成的影響做出判斷。極端情況下，甚至?xí)l(fā)生連續(xù)多次日冕物質(zhì)拋射“重疊”轟擊地球的事件，如此一來(lái)，遭遇一場(chǎng)大地磁暴甚至是特大地磁暴就在所難免了。這些預(yù)報(bào)方法屬于經(jīng)驗(yàn)預(yù)報(bào)，通過(guò)歷史數(shù)據(jù)比對(duì)、監(jiān)測(cè)資料分析、會(huì)商研判，最終做出判斷的是預(yù)報(bào)員本身。

圖3 太陽(yáng)爆發(fā)活動(dòng)前磁繩結(jié)構(gòu)的形成（圖/中國(guó)科學(xué)技術(shù)大學(xué) 供）

現(xiàn)在，空間天氣預(yù)報(bào)業(yè)務(wù)即將進(jìn)入數(shù)值預(yù)報(bào)階段。以觀測(cè)數(shù)據(jù)和科學(xué)理論為基礎(chǔ)，通過(guò)太陽(yáng)表面物理參數(shù)預(yù)測(cè)爆發(fā)發(fā)生的概率、通過(guò)數(shù)值模型計(jì)算太陽(yáng)風(fēng)參數(shù)等方法在不斷發(fā)展，我國(guó)的第一代空間天氣“全鏈路”數(shù)值預(yù)報(bào)業(yè)務(wù)系統(tǒng)正在建設(shè)之中。

空間天氣預(yù)報(bào)關(guān)系你我

現(xiàn)如今，以航天領(lǐng)域?yàn)槔?，空間天氣預(yù)報(bào)已經(jīng)服務(wù)于發(fā)射窗口選擇、航天器在軌運(yùn)行、航天員出艙、載人飛船返回等任務(wù)，幾乎陪伴在每一次航天任務(wù)保障周期。

國(guó)家空間天氣監(jiān)測(cè)預(yù)警中心是世界民航組織四大全球空間天氣中心之一，已完成7 次14 天×24 小時(shí)的當(dāng)值挑戰(zhàn)，向世界民航組織發(fā)布7 類(lèi)咨詢(xún)預(yù)報(bào)服務(wù)。內(nèi)容涉及短波吸收、最大可用頻率下降、極光吸收等領(lǐng)域，為每天在世界不同航線(xiàn)上的近11 萬(wàn)架次航班以及千萬(wàn)名乘客提供空間天氣服務(wù)。

從交通出行到維持社會(huì)基礎(chǔ)的能源供給，從衛(wèi)星導(dǎo)航定位到信鴿千里歸巢，甚至是來(lái)一場(chǎng)說(shuō)走就走的極光之旅……未來(lái)，越來(lái)越多的人類(lèi)活動(dòng)都離不開(kāi)空間天氣預(yù)報(bào)和服務(wù)的助力。

從上古時(shí)期的太陽(yáng)崇拜到神話(huà)傳說(shuō)與宗教崇拜，從兩千年前的《漢書(shū)·五行志》，再到現(xiàn)在同學(xué)們手中的《發(fā)明與創(chuàng)新》“重新認(rèn)識(shí)太陽(yáng)”系列科普文章，人類(lèi)在短短數(shù)千年間，實(shí)現(xiàn)了對(duì)太陽(yáng)認(rèn)知的跨越，從前困擾人類(lèi)數(shù)百年的科學(xué)難題已經(jīng)成為同學(xué)間討論的有趣科普故事。但我們對(duì)太陽(yáng)仍要心存敬意，無(wú)論是在科學(xué)還是科幻層面上，太陽(yáng)都將是人類(lèi)永恒的研究對(duì)象與靈感源泉，所有的關(guān)于人類(lèi)和宇宙的秘密，都隱藏在這顆溫暖我們的母星中，等待著你們繼續(xù)探索！“重新認(rèn)識(shí)太陽(yáng)”系列暫時(shí)要與大家道一聲再見(jiàn)了。

我是你們的大洋老師，期待與你們?cè)俅我?jiàn)面！