日常生活離不開天氣預報，航天員在太空中活動、火箭發射、衞星運行……也要關注空間天氣。如今，伴隨着太空探索的快速發展，空間天氣預報變得越來越重要。20世紀90年代末，中國氣象局開始空間天氣業務試驗。2002年，國家空間天氣監測預警中心成立，並於2004年正式開展空間天氣業務。2021年11月16日，國際民航組織全球空間天氣中心揭牌，實現為全球民航業提供空間天氣服務，保障航空安全。從2002年建成至今，我國已基本建成“天地一體化”的空間天氣監測格局。但空間天氣是什麼？怎麼預報？對人類有什麼影響？
空間天氣對人類活動的影響。圖片由中國氣象局提供
空間天氣是什麼
太陽爆發活動及其所引發的空間環境變化
生活在地面上的我們，已經習慣了陰晴雨雪的天氣變化。但遠在“九霄之外”，接近真空的宇宙空間裏，也會有“天氣”存在嗎？
“在我們所處的地球與太陽系唯一的恆星太陽之間，我們能夠看到與感覺到的陽光，其實只是穿梭在其中的一小部分，大量如伽馬、X射線這種日常難以接觸、能量更高的光線才是其中常客。”國家空間天氣監測預警中心工程師韓大洋説，還有一刻不停“吹拂”到太陽系每一個角落的太陽風，它們構成了行星際空間的物質主體，其主要由帶電粒子組成，這些微粒速度很快，以每秒幾百千米的速度突破太陽的引力束縛，進入宇宙空間。
“而在靠近地球的這一邊，在太陽光線的照射與太陽風的聯合作用下，能量以多種形式在改變着地球的空間環境，從距離地面數萬公里甚至更高的位置區域向內，形成地球磁場、電離層、熱層的立體結構。”韓大洋解釋説。
一邊是不停提升強化等級向外輸出的太陽，另一邊是擺出“層層陣線”護住基地的地球，兩者之間形成了宇宙空間中的巧妙“默契”與動態“平衡”。
“太陽並不是一成不變的！”韓大洋告訴記者，太陽的工作模式一般分為平靜與爆發兩大類，平靜時的太陽所釋放出的太陽風速度低、變化慢，物質密度也相對較低，並且沒有明顯的爆發活動。“而一旦轉入爆發模式，太陽風就會發生明顯的變化，速度加快、密度增大，甚至就連温度也會出現跳躍式的升高，耀斑和日冕物質拋射這兩個‘大招’也會隨時放出，就連冷卻時間也會大幅度縮短，甚至開啓‘狂暴模式’，多種爆發活動同時甚至是連續的發生。”
“對應兩種太陽活動模式，地球磁層、電離層、熱層在內的空間環境也會隨之發生變化，這些變化會對人造衞星和空間站、通信與能源系統以及人類健康帶來嚴重影響和危害。”韓大洋總結，太陽爆發活動及其所引發的空間環境變化稱為空間天氣。
所以，空間天氣中的“風”，就是太陽風；“雨”，就是來自太陽的帶電粒子雨。
太陽風暴與空間天氣。圖片由中國氣象局提供
那“空間天氣”一詞從何而來？
據國家空間天氣監測預警中心工程師呂景天介紹，1957年，Science News Letter（《科學新聞》）上一篇科學新聞快報文章引用了天文學家Lyman Spitzer對星際介質的研究，並且對他當時的一些理論進行了解釋説明，這裏首次出現了“空間天氣”一詞。1964年，時任美國氣象局局長在一次會議上提出，在科羅拉多州博爾德建立一個聯合小組，研究空間天氣預報的相關問題。1967年，空間天氣這個詞出現在了美國環境科學服務局相關技術報告中。就這樣，“空間天氣”一詞走向了大眾視野。20世紀60年代後期，“空間天氣”一詞已被廣泛的應用起來了。
空間天氣研究什麼
主要監測和研究太陽相關參數
如同地球天氣中的風霜雨雪等氣象要素一樣，空間環境中也存在着可以探測的環境參數，只不過換成了粒子、磁場、電磁波等參量。與地面氣象探測相比，空間天氣監測有何不同？
據國家空間天氣監測預警中心研究員黃聰介紹，一是範圍更大，從監測距地面20~30公里高度的中高層大氣往上直至太陽表面的活動區；二是對象複雜，既要監測中高層大氣中的温度、密度、速度等流體力學參數，也要監測電離層、磁層和行星際以及太陽表面的粒子、場和温度等等離子體參數。
“空間天氣監測的手段也多種多樣。”黃聰説，對於電磁波，可以使用光學遙感和無線電手段來觀察；對於磁場，採用磁通門或磁阻技術來感知；對於粒子，可以用半導體或靜電分析儀的手段來監測。
空間天氣研究主要關心哪些區域？
黃聰告訴記者，主要集中在三個區域，空間天氣的源頭——太陽，該區域到地球約1.5億公里；空間天氣傳播與演化的日地連線區域——日地行星際和磁層，該區域從太陽表面一直到地面數千公里高空；空間天氣的地球響應區域——電離層和中高層大氣，該區域從數千公里高空一直到距地面20~30公里高度。
“一次完整的空間天氣事件一般具有從太陽表面形成與發生、然後在行星際空間傳播和演化、最後在地球電離層和中高層大氣中產生影響和效應的規律。”黃聰説，因此，從空間天氣業務需求來説，需要對從太陽—行星際—磁層空間—電離層和中高層大氣，這一空間天氣事件因果鏈上的重要區域進行必要的監測，監測內容包括太陽表面的活動區、行星際、磁層和電離層中的粒子、電場、磁場和波動等等離子體和電磁參數，熱層和電離層中的密度、温度和速度等流體參數。
空間天氣的研究對象是地球表面20公里以上的空間領域，而這正是大部分的航天、衞星、通信、導航活動發生或依賴的空間領域。因此，災害性的空間天氣會對其產生直接的影響。
據介紹，對於航天設備來説，航天器上的微電子元器件最怕的就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，造成數據錯誤、電路功能混亂或計算機整機癱瘓，引發機器的異常或故障，甚至將其徹底摧毀。
“而能量相對低一些的高能粒子，則可以在航天器內部的電路板、導線等位置產生電荷堆積，阻礙航天器的正常工作。”黃聰表示，在航天器發射和運行期間，對空間天氣要素進行連續監測和預報，對可能發生的災害性空間天氣事件作出預警，可以保障航天器的安全。
空間天氣預報準確度如何
邁入了數值化時代，但“剛剛踏進門檻”
“空間天氣變化的主要源頭是太陽，‘太陽大氣’劇烈的爆發現象會對空間天氣產生顯著影響，比如太陽耀斑、日冕物質拋射、太陽質子事件等。”據國家空間天氣監測預警中心高級工程師宋喬介紹，耀斑是太陽表面上小塊區域突然增亮的現象，耀斑的輻射增強通常遍及整個電磁波譜，其中極紫外、X射線等高能波段的輻射對地球電離層的影響尤為顯著。
“太陽的最外層大氣叫作日冕，正如其名字所暗示的，日冕物質拋射會將大量的磁化等離子體拋向太空，如果擊中地球，可能會產生地磁暴。而太陽質子事件發生的時候，來自太陽的高能粒子數量會迅猛增長，這些能量很高的粒子會對空間站和航天員造成威脅。”宋喬説。
不過對此，我們早有準備。去年發射的風雲三號E星就攜帶着我國第一台空間太陽望遠鏡——可實現對太陽日冕活動的觀測，有效增強了空間天氣的監測能力，為更準確的空間天氣預報提供數據支撐。
目前，國家空間天氣監測預警中心基本實現了日地因果鏈上“全過程”的自主觀測，可為航天器發射及在軌運行提供空間天氣預報及影響評估服務，為載人航天任務提供出艙時間窗預報，避免航天員遭遇嚴重的太陽高能粒子輻射，為航天員提供更高的出艙安全係數。如2008年神舟七號載人飛船指令長翟志剛，成為我國第一位太空出艙的航天員。當時，國家衞星氣象中心就結合空間天氣環境準確預報了出艙窗口時間。
我們的空間天氣預報是如何做出來的？
宋喬介紹，空間天氣預報員會收集最新的觀測數據，包括各個波段的太陽圖像、太陽X射線流量、太陽磁場、地磁指數、電離層狀態等，對這些數據進行綜合分析，然後結合觀測數據、數值模擬等做出預報，與首席預報員進行會商，從而得出空間天氣預報結論，並製作各種預報產品。
“空間天氣預報產品種類很多，包括日報、週報、月報、年報等。”宋喬説，空間天氣日報總結過去24小時的空間天氣情況，並預報未來1-3天的空間天氣狀態，包括太陽活動水平、地磁活動水平以及電離層狀態等；空間天氣週報則是總結最近7天的空間天氣態勢，預報未來7天空間天氣趨勢。“當有大耀斑、地磁暴等重要的空間天氣事件發生時，還會發布空間天氣預報，讓普通人也可以瞭解到最新的空間天氣狀態。”
如今，空間天氣預報也邁入了數值化時代。“以觀測數據和科學理論為基礎，通過太陽表面物理參數預測耀斑發生的概率、通過數值模型計算太陽風參數等方法正在不斷髮展。”宋喬表示，隨着各國探測飛船和衞星的發射，新的觀測數據源源不斷，空間天氣預報水平將穩步提高。
“太陽活動有一個很有意思的現象，就是大概每11年一個週期，有太陽活動高年，也有太陽活動低年。當然，這也只能説是一個趨勢，並不絕對。而且太陽生命久遠，我們基於有限的觀測總結出了11年的週期，但隨着未來的繼續觀測，發現的週期規律也可能會改變。”在國家空間天氣監測預警中心空間天氣預報台副台長郭建廣看來，空間天氣預報“剛剛踏進門檻”。
（光明日報記者 崔興毅）