來源：中國軍網-解放軍報 責任編輯：于雅倩 發布：2024-08-02 07:15:34
空間天氣監測預警——
破譯來自太空的“風雨雷電”
■牛 俊 由 里 解放軍報特約記者 張照星
子午工程二期的圓環陣太陽射電成像望遠鏡。新華社發
5月11日，我國新疆阿勒泰等地天空中出現了絢麗的極光。提起極光，大家并不陌生。它是太陽爆發活動產生的高能粒子與地球大氣相遇后產生的光學現象，表征著地球大氣外環境參數的劇烈變化。
在陸地、海洋和大氣環境之外，還存在著與人類生存發展息息相關的第四環境——空間環境。地球表面20～30千米以上至太陽表面的廣闊空間中，帶電粒子、磁場、電場等環境與我們熟知的大氣環境截然不同，這個空間中的物質狀態和變化就被稱為空間環境。
通常情況下，空間環境處于較為平穩的狀態，瞬時發生的太陽活動卻常常會引起空間環境的劇烈變化。空間環境的變化會影響地面和空間技術系統的運行和可靠性，甚至會對航天活動如空間站運行、導航定位等系統工作造成損害。科學家把這種短時間尺度空間的狀態或事件稱為空間天氣（Space Weather）。
空間天氣影響廣泛
空間天氣可以說是來自太空的“風雨雷電”。
我們熟知的太陽在向地球輸送光和熱的同時，還不斷將大量帶電粒子吹向太空，這就是“太陽風”。地球時時刻刻沐浴在這些帶電粒子中，但并不都是“如沐春風”。太陽風和地球上的風一樣，有微風也有颶風。太陽出現爆發活動時，大量的帶電粒子以超過1000千米/小時的速度沖向地球，引起近地空間環境的劇烈擾動。地球磁場像雨傘一樣可以阻擋大部分來自太陽的高速帶電粒子，但也有部分會被地球磁場捕獲或從南北極地磁空隙進入地球大氣，形成高能粒子組成的“雨滴”。這些“雨滴”對在軌航天器的軟硬件系統有重要影響。此外，太陽活動也會引發地球電流體系和磁場的擾動，對短波通信、輸電網絡等造成一定影響，還會在高緯度地區產生極光等現象。這些都是空間天氣中的“雷電”現象。
1967年5月，美國部署在北半球高緯地區用來監視來襲導彈的雷達突然失靈，用于通信的雷達也全部中斷。美軍進入高度戒備狀態，誤認為是外敵進攻，空軍起飛多批次飛機準備還擊。就在此時，空間天氣預報員及時通報，是太陽爆發釋放的巨大能量干擾了雷達和通信，避免了一場可能發生的沖突。
2003年10月底至11月初，太陽發生了一系列強烈的爆發活動，造成空間環境的巨大擾動。受此影響，全球約半數衛星出現故障，日本先進地球觀測衛星-2完全失效；全球范圍內的通信受到干擾，海事緊急呼叫系統癱瘓，珠峰探險隊通信中斷；全球定位系統精度降低；瑞典5萬人的電力供應中斷。
2022年2月4日，美國太空搜索技術公司向低地球軌道發射了49顆星鏈通信衛星。由于受到地磁暴的嚴重影響，星鏈團隊被迫將衛星切換成安全飛行模式。但49顆星鏈衛星中有多達38顆沒能退出安全模式，最終損失嚴重。
這些事件的源頭都指向了空間天氣。實際上，重大空間災害性天氣事件經常發生。據統計，近20年來，每年都會有1到2顆衛星因為災害性空間天氣導致部分功能失效或完全失效；40％的航天故障（軌道、姿態、擊穿電路、擾亂指令等）與日地空間環境中的災變有關。值得注意的是，隨著人類科技的進步和向太空探索步伐的延伸，空間天氣災害對人類活動的影響將越發顯著。因此，對空間天氣的監測、預警、預報逐漸成為各國發展的重要方向。
空間環境探測之旅
人類進入太空之前，空間環境探測的目標主要是高層大氣、電離層、地球磁場分布等。1958年1月31日，首顆空間科學衛星探索者一號發射，人類首次發現地球周圍存在高能輻射帶——范·艾倫輻射帶。這成為空間環境探測開啟的重要標志。
人類探索宇宙初期，空間環境探測主要研究航天器在飛行位置處的空間物理現象，如帶電粒子、中性粒子、電磁場分布及其變化規律。這一階段的研究改進了人類對地球磁場空間（地球磁層）電磁場和粒子分布的認識。
隨著科學的進步，科學家開始利用航天器平臺開展空間觀測。得益于排除地球大氣干擾的近距離接觸，空間環境探測技術研究和驗證也不斷取得突破。
美國是最早開始對空間環境進行探索、開發和利用的國家。其在空間天氣的監測、研究、預報、風險規避與危害防護方面投入相當可觀的人力財力。近十幾年來，美國更是逐步將空間天氣提升為國家戰略。
2015年，白宮正式發布《國家空間天氣戰略和行動計劃》，從國家層面來全面應對極端太陽風暴所帶來的威脅。2019年3月，白宮發布了修訂版《國家空間天氣戰略和行動計劃》。2019年12月，美國正式成立天軍，將日地空間視為重要作戰空間、關系空天安全——制“天”權的重要組成部分。美國先后牽頭研制了ACE衛星、WIND衛星、STEREO衛星等空間環境探測器，有力推動了對太陽活動及其對地球影響的認識。
歐洲航天局在空間天氣研究方面也有不少作為。20世紀90年代，歐洲航天局與美國合作研制了著名的太陽與日光層觀測衛星，為太陽大氣特征研究提供了寶貴的觀測數據。同時，他們還牽頭研制了專門用于太陽風觀測的尤利西斯探測器，其長達二十年的觀測數據為太陽風認知和空間天氣預報打下了基礎。
此外，除了美國、歐洲外，日本、韓國、巴西等國家也開展了空間天氣方面的研究與預報。國際上，“國際空間天氣計劃協調組”“國際空間天氣監測計劃”等機構興起。
我國空間環境探測不斷發展，取得了巨大的進步和成就。據報道，1970年我國成功發射人造衛星后，相繼開展了一系列空間環境參數探測。1976年， 中國科學院部署了“兩星一站”任務（天文衛星、遙感衛星和遙感衛星地面站），包括用于太陽監測的軟X射線望遠鏡。1999年，我國科技部等10部委提出了《國家空間天氣戰略規劃建議》，標志著我國大規模空間天氣研究的開始。2002年，國務院批準成立“國家空間天氣監測預警中心”，標志著我國國家級空間天氣業務的開始。
為加強空間天氣監測能力，針對空間天氣的源頭——太陽，我國先后發射了“羲和號”和“夸父一號”衛星；在地基監測方面，我國建設了“東半球空間環境地基綜合監測子午鏈”——子午工程并于2012年完成建設并投入運行。子午工程二期“空間環境地基綜合監測網”，也已經于近期完成建設，成為國際上綜合觀測能力最強的地基空間天氣監測網絡。
應用價值愈發凸顯
隨著觀測裝備科技化水平不斷提高，空間天氣在世人眼中變得不再那么神秘。不過，作為世界地球科學的重要分支，空間天氣在空間天氣監測、空間天氣物理及空間天氣應用等方面還有很大的發展潛力。
災害性空間天氣事件監測預警是首先需要關注的問題之一。2024年是太陽活動高年，僅5月份就產生了21個X級耀斑和97個M級耀斑。劇烈的空間天氣擾動，使得太空“資產”——空間站、衛星等，受單粒子效應、航天器表面充電（深層充電）、電離層閃爍等事件影響的概率大大增加，對太空安全產生重大影響。建立從太陽至地面的災害性空間天氣全要素、全過程監測網，同時整合現有空間天氣監測資源，建立統一數據共享與分析平臺，能夠有效促進空間天氣的快速發展。
發展以觀測為驅動、以物理認知為基礎的物理模型+人工智能的空間天氣建模和預報技術，是未來提升空間天氣預報水平的有效途徑。現有的空間天氣預報業務中所使用的模型有著大量的經驗模型，如常用的中高層大氣模型MSIS系列、國際參考電離層IRI系列等。這些經驗模型在業務中具有運行穩定、計算速度快等優勢。隨著空間天氣理論模式的發展和空間天氣監測數據的增加，基于大量觀測數據的人工智能空間天氣建模和預報方法將會起到更大作用。人工智能算法能夠模擬人腦的行為，從大量數據中學習其內在的規律，結合理論模型便能實現高精度、準實時的空間天氣業務模型。
將空間天氣從研究向應用的轉化，也是未來重要發展方向。目前對于空間天氣的研究仍大部分集中于科學問題，如太陽日冕物質拋射等活動的物理機制、行星際太陽風與地球磁場的相互作用、地球電離層和中高層大氣對太陽爆發活動的響應等。與此同時，空間天氣的應用仍存在較大的研究空間，如災害性空間天氣事件中導航定位、短波通信、在軌航天器等系統的保障技術與應對策略，甚至空間天氣主動利用技術（如美國高頻活動極光研究計劃）也是未來的重要潛在應用點。隨著世界各國的發展和利益爭端的增多，空間環境必將成為未來戰略競爭的制高點，空間天氣研究的應用價值也必將得到進一步凸顯。
