作者：劉勇（中國科學(xué)院國家空間科學(xué)中心太陽活動(dòng)與空間天氣國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室研究員）

　　2024年1月1日，我國“夸父一號(hào)”衛(wèi)星成功記錄了第25太陽活動(dòng)周截至目前最大的耀斑，再次刷新了第25太陽活動(dòng)周最大耀斑的紀(jì)錄。太陽這顆離我們最近的恒星并非一成不變，太陽爆發(fā)有時(shí)候會(huì)嚴(yán)重影響地球周圍的空間天氣，進(jìn)而影響人類的生活。

　　1.太陽爆發(fā)影響人類生產(chǎn)生活

　　空間天氣是指平流層以外的空間環(huán)境變化。跟日常天氣不同，空間環(huán)境變化主要受太陽活動(dòng)影響。通常太陽爆發(fā)對(duì)空間天氣的影響有三種不同的情況，包括耀斑、太陽高能粒子和日冕物質(zhì)拋射。

　　太陽爆發(fā)，首先能影響到地球的就是太陽耀斑活動(dòng)。出現(xiàn)耀斑時(shí)，太陽表面有一小部分會(huì)突然變亮。這種亮度增加通常在可見光的波段并不明顯，而是在其他波段上非常明顯，例如X射線波段。所以耀斑并不是肉眼可見的，在太陽的X光照片中，耀斑導(dǎo)致局部變亮，亮度遠(yuǎn)高出其他區(qū)域。如果耀斑正好對(duì)著地球，耀斑發(fā)出的強(qiáng)烈輻射會(huì)擾動(dòng)電離層，引發(fā)通信故障，導(dǎo)致飛機(jī)通信失靈以及GPS定位錯(cuò)誤。由于耀斑的影響是以光速傳播的，到達(dá)地球只需要8分鐘，所以第一批到達(dá)地球的輻射，也被稱為第一波“攻擊”。

　　跨入2024年，我國首顆綜合性太陽探測衛(wèi)星“夸父一號(hào)”衛(wèi)星，成功地記錄了第25太陽活動(dòng)周截至目前最大的耀斑。這是一個(gè)X5.0級(jí)耀斑，同時(shí)還伴隨日冕物質(zhì)拋射，這也再次刷新了第25太陽活動(dòng)周最大耀斑的紀(jì)錄。“夸父一號(hào)”衛(wèi)星的三個(gè)載荷成功地跟蹤和記錄了這次爆發(fā)，將為太陽物理學(xué)家?guī)砑铀俑吣茈娮拥南嚓P(guān)信息。綜合利用“夸父一號(hào)”衛(wèi)星的觀測數(shù)據(jù)，同時(shí)結(jié)合國內(nèi)外相關(guān)觀測設(shè)備提供的多波段數(shù)據(jù)，未來科研人員將圍繞此次X5.0級(jí)耀斑開展進(jìn)一步的科學(xué)研究。

　　太陽活動(dòng)同樣會(huì)產(chǎn)生大量的高能粒子，這些高能粒子沿著磁力線傳播，如果方向正好合適，這些接近光速的太陽高能粒子最快十幾分鐘就能抵達(dá)地球，所以也被稱為第二重“打擊”。

　　太陽高能粒子具有很強(qiáng)的穿透能力，對(duì)于空間設(shè)備和航天員等，都有很強(qiáng)的殺傷力。太陽高能粒子會(huì)對(duì)衛(wèi)星產(chǎn)生破壞。這些高能粒子能夠穿透衛(wèi)星設(shè)備表層，進(jìn)入衛(wèi)星設(shè)備內(nèi)部，使內(nèi)部產(chǎn)生強(qiáng)大的電壓差，從而造成擊穿損壞。這種損壞通常不可修復(fù)，也是衛(wèi)星設(shè)計(jì)制造需要努力防護(hù)的。不止空間活動(dòng)，太陽高能粒子甚至可能危害在地球極區(qū)飛行的乘客和機(jī)組人員的健康，所以在太陽活動(dòng)期間，航空公司都會(huì)避免飛機(jī)飛越極區(qū)，而是采用其他的航線。

　　對(duì)于地球來說，影響最大的還是第三波“打擊”——日冕物質(zhì)拋射。太陽爆發(fā)時(shí)向外拋射出高速等離子體團(tuán)。通常的太陽風(fēng)速度為300到800公里/秒，但日冕物質(zhì)拋射的速度通常在1000公里以上，最快能達(dá)到每秒3000公里，抵達(dá)地球只需要十幾個(gè)小時(shí)。這些從太陽上被拋射出去的等離子體團(tuán)蘊(yùn)含著巨大的能量，在抵達(dá)地球附近時(shí)和地球磁場相互作用，能強(qiáng)烈擾動(dòng)地球的磁場，形成磁暴，同時(shí)影響空間和地面高緯度地區(qū)的環(huán)境，甚至干擾衛(wèi)星通信和定位導(dǎo)航信號(hào)。

　　磁暴會(huì)在高緯度地區(qū)的輸電線路上形成強(qiáng)烈的磁暴感應(yīng)電流，這種感應(yīng)電流導(dǎo)致變壓器過載，嚴(yán)重情況下甚至?xí)p壞輸電設(shè)備。與地面原因?qū)е碌耐ｋ娛鹿释ǔ０l(fā)生在一個(gè)小范圍內(nèi)不同，由磁暴感應(yīng)電流引發(fā)的停電事故通常發(fā)生在較大范圍，嚴(yán)重影響人類的生產(chǎn)和生活。

　　磁暴會(huì)在地球磁層里產(chǎn)生大量的振蕩，這些振蕩會(huì)讓各種粒子加速，在地球附近空間形成粒子暴。由于相當(dāng)多的衛(wèi)星在地球磁層中運(yùn)行，所以磁暴可能損壞衛(wèi)星。幸運(yùn)的是，人類進(jìn)入太空時(shí)代以來，還沒有超級(jí)強(qiáng)烈的磁暴發(fā)生過，我們對(duì)此并沒有切身體會(huì)。

　　除了對(duì)磁層形成干擾，磁暴還會(huì)引起大氣密度上升。曾經(jīng)有衛(wèi)星發(fā)射因此失敗——衛(wèi)星通過測量大氣密度來確定自身高度，由于大氣密度整體上升，程序判定衛(wèi)星一直沒有到達(dá)預(yù)定的開機(jī)高度，所以衛(wèi)星一直處于保護(hù)模式，不能打開自帶的發(fā)動(dòng)機(jī)調(diào)整軌道，最后在大氣層中燒毀。

　　2.這個(gè)太陽活動(dòng)周期很猛烈

　　通常，太陽活動(dòng)按照11年周期變化。從極小年開始活動(dòng)逐年上升，在抵達(dá)峰值后下降，再回到下一個(gè)極小年。不過太陽活動(dòng)并不嚴(yán)格按照周期變化，而且每個(gè)周期都不一樣。上一個(gè)太陽周從2009年到2020年，太陽活動(dòng)非常稀少，幾乎沒有特別強(qiáng)烈的爆發(fā)。

　　目前正處于太陽活動(dòng)第25周期，從現(xiàn)在的太陽活動(dòng)趨勢來看，這個(gè)周期很可能非?；钴S，比之前的周期猛烈。

　　我們即將進(jìn)入這個(gè)太陽周期的高峰期，太陽爆發(fā)將日漸頻繁劇烈。2023年12月，北京北部山區(qū)出現(xiàn)了極光的疾馳旋舞，“北京極光”話題一度登上熱搜。要知道，通常極光發(fā)生在地磁緯度的60°左右，高度可能在100公里到400公里左右，磁暴的強(qiáng)度必須足夠大，極光本身也要足夠亮，我們才有可能看得見。由此可見，此次的太陽爆發(fā)有多大！

　　如前所說，太陽爆發(fā)可能會(huì)給人類的生產(chǎn)和生活造成很大的影響。航天器、衛(wèi)星應(yīng)有防范空間天氣災(zāi)害的預(yù)案。例如，在太陽爆發(fā)來臨之際，可以讓一些容易受到攻擊損壞的電子線路停止工作，避免單粒子事件導(dǎo)致的錯(cuò)誤命令或者代碼。

　　此外，航天器可以增加一些對(duì)抗高能粒子輻射的保護(hù)裝置。例如，加裝防護(hù)罩。但現(xiàn)代社會(huì)的航天活動(dòng)日益頻繁，尤其是商業(yè)航天活動(dòng)。而航天器也在朝小型化方向發(fā)展——在總體重量接近一噸的航天器上，加上十幾公斤甚至幾十公斤重的金屬保護(hù)層，可以安全有效地防止高能粒子的影響；但小型航天器自身的重量只有十幾公斤，甚至幾公斤，顯然無法加裝厚重的金屬保護(hù)。那么，就需要更好地了解空間天氣狀況，采用更加靈活有效的機(jī)制，來防范空間天氣的危害。

　　總而言之，近幾年，不論通信或是乘坐飛機(jī)出行，人類會(huì)更加頻繁地面臨空間天氣帶來的影響。展望更長遠(yuǎn)的未來，人類將進(jìn)入星際旅行時(shí)代，這也就意味著，空間天氣預(yù)報(bào)將更加重要。

　　3.我國正構(gòu)建空間天氣預(yù)報(bào)“天地網(wǎng)”

　　應(yīng)對(duì)和防范空間天氣導(dǎo)致的問題，最重要的是做好空間天氣的預(yù)報(bào)。

　　太陽耀斑無法預(yù)測，但太陽表面的活動(dòng)區(qū)都能觀測到，當(dāng)這些活動(dòng)區(qū)面對(duì)地球時(shí)，都可以做適當(dāng)?shù)念A(yù)警。雖然，到目前為止，導(dǎo)致日冕物質(zhì)拋射發(fā)生的原因仍然還是一個(gè)未解的謎，但是日冕物質(zhì)拋射一旦離開太陽，通常能被地面或者空間望遠(yuǎn)鏡發(fā)現(xiàn)。

　　理論上講，拋射出的等離子體團(tuán)是否到達(dá)地球、什么時(shí)間到達(dá)地球都能被預(yù)報(bào)。只是現(xiàn)在的模型尚不能準(zhǔn)確預(yù)報(bào)，還需要不斷完善，才能更加準(zhǔn)確地預(yù)報(bào)磁暴發(fā)生的時(shí)間和等級(jí)。

　　在空間天氣預(yù)報(bào)方面，我國已采取了很多措施。比如子午工程。子午工程一期于2008年開工建設(shè)，2012年建成，利用東經(jīng)120°子午線附近，北起漠河，經(jīng)北京、武漢，南至海南并延伸到南極中山站，以及東起上海，經(jīng)武漢、成都，西至拉薩的沿北緯30°緯度線附近現(xiàn)有的15個(gè)監(jiān)測臺(tái)站，建成一個(gè)十字形的多種手段監(jiān)測網(wǎng)絡(luò)。子午工程二期于2019年開工建設(shè)，在一期工程的基礎(chǔ)上，新增16個(gè)臺(tái)站。它們將和一期的監(jiān)測臺(tái)站一起，組成一個(gè)“井”字形的監(jiān)測網(wǎng)絡(luò)。其中，稻城太陽射電成像望遠(yuǎn)鏡（DSRT）是子午工程標(biāo)志性設(shè)備，它采用原創(chuàng)性的圓環(huán)陣列構(gòu)型和中心定標(biāo)總體方案，突破了單通道多環(huán)絕對(duì)相位定標(biāo)等核心關(guān)鍵技術(shù)，實(shí)現(xiàn)了626路接收鏈路的高精度定標(biāo)和實(shí)時(shí)自動(dòng)補(bǔ)償，率先建成“射電相機(jī)”。稻城太陽射電成像望遠(yuǎn)鏡調(diào)試期已開展長期穩(wěn)定太陽射電成像成譜監(jiān)測，驗(yàn)證了太陽監(jiān)測的全部指標(biāo)。利用這個(gè)望遠(yuǎn)鏡，我國科學(xué)家還開展了我國首次脈沖星實(shí)時(shí)成像觀測；實(shí)現(xiàn)我國首次雙站雷達(dá)成像觀測；與歐洲低頻陣列（LOFAR）成功開展聯(lián)合觀測，實(shí)現(xiàn)交叉驗(yàn)證。

　　此外，我國還發(fā)射了幾顆太陽監(jiān)測衛(wèi)星，例如“夸父一號(hào)”“羲和號(hào)”，它們也將在空間天氣預(yù)報(bào)方面大顯身手。其中，“羲和號(hào)”是我國首顆探日衛(wèi)星，2021年10月14日發(fā)射升空。幾年來，“羲和號(hào)”產(chǎn)生了超過400TB的高質(zhì)量科學(xué)數(shù)據(jù)和一系列原創(chuàng)性科研成果。目前，我國正在開展“羲和二號(hào)”日地L5太陽探測工程論證，根據(jù)論證方案，“羲和二號(hào)”將爭取于2026年左右發(fā)射至日地L5點(diǎn)，對(duì)太陽進(jìn)行立體探測——日地L5點(diǎn)，即日地第五拉格朗日點(diǎn)，距離地球約1.5億公里，尚為國際探測的空白區(qū)域。“羲和二號(hào)”發(fā)射后，可深入探索太陽活動(dòng)區(qū)磁場的起源和演化，研究太陽爆發(fā)的傳播規(guī)律和對(duì)地響應(yīng)，還可為實(shí)現(xiàn)空間天氣及時(shí)預(yù)警及準(zhǔn)確預(yù)報(bào)提供關(guān)鍵數(shù)據(jù)和技術(shù)基礎(chǔ)。

　　天地一體，將極大地促進(jìn)我國對(duì)太陽爆發(fā)的研究，更好地了解空間天氣變化的源頭，更加準(zhǔn)確地預(yù)報(bào)空間天氣，有效應(yīng)對(duì)空間天氣可能帶來的災(zāi)害。

　　《光明日?qǐng)?bào)》（2024年01月11日 16版）