文/ 王文梅 寧艷

太陽(yáng)風(fēng)暴

隨著新一輪太陽(yáng)活動(dòng)周期的開(kāi)始，空間環(huán)境可能對(duì)人類(lèi)的航天活動(dòng)產(chǎn)生諸多不確定影響，以致形成空間自然災(zāi)害。空間自然災(zāi)害，主要是指由宇宙環(huán)境不穩(wěn)定如太空災(zāi)害天氣、太空物體隕落、太陽(yáng)磁場(chǎng)有害波動(dòng)等引發(fā)的危險(xiǎn)性行為和災(zāi)難性后果。人類(lèi)航天活動(dòng)需要防范太空自然災(zāi)害的影響。

喜怒無(wú)常的空間天氣

空間天氣的概念是美國(guó)在上個(gè)世紀(jì)90年代首先提出來(lái)的，可理解為由太陽(yáng)活動(dòng)釋放的電磁輻射和粒子發(fā)射在日地空間的傳遞和轉(zhuǎn)化過(guò)程。其中，從地表20 ～30 公里以上到太陽(yáng)外層大氣的空間區(qū)域稱作為日地空間，其主要覆蓋中高層大氣、電離層、磁層、行星際和太陽(yáng)大氣等。太陽(yáng)活動(dòng)相對(duì)穩(wěn)定時(shí)可稱作“好天氣”；當(dāng)太陽(yáng)活動(dòng)相對(duì)頻繁，甚至?xí)l(fā)無(wú)線電通信、衛(wèi)星導(dǎo)航以及電力等系統(tǒng)故障或崩潰時(shí)，將稱作為“壞天氣”。但與風(fēng)、云、雨、雪等對(duì)流層天氣不同，災(zāi)害性空間天氣的出現(xiàn)頻率不高，主要由太陽(yáng)活動(dòng)造成。

太陽(yáng)是一個(gè)溫度高達(dá)百萬(wàn)度的熾熱氣體（準(zhǔn)確講是等離子體）球，無(wú)時(shí)不在“翻江倒海”，特別是在與太陽(yáng)黑子相關(guān)的“風(fēng)暴”區(qū)（專業(yè)上稱為太陽(yáng)活動(dòng)區(qū)），往往以“爆發(fā)性”方式向外釋放電磁輻射或高能粒子，這就是最近常見(jiàn)諸媒體的“太陽(yáng)風(fēng)暴”。

太陽(yáng)風(fēng)暴（Solar Storm）是由于太陽(yáng)的劇烈爆發(fā)活動(dòng)，進(jìn)而引發(fā)的強(qiáng)烈擾動(dòng)。太陽(yáng)爆發(fā)活動(dòng)指太陽(yáng)大氣中發(fā)生的持續(xù)時(shí)間短暫、規(guī)模巨大的能量釋放現(xiàn)象，主要通過(guò)增強(qiáng)的電磁輻射、高能帶電粒子流和等離子體云等三種形式釋放。隨著太陽(yáng)爆發(fā)的愈演愈烈，其噴射的物質(zhì)與能量抵達(dá)近地空間后，將會(huì)引發(fā)一系列地球空間環(huán)境的強(qiáng)烈擾動(dòng)，進(jìn)而影響人類(lèi)活動(dòng)。

在強(qiáng)太陽(yáng)風(fēng)暴爆發(fā)期間，通常多次出現(xiàn)太陽(yáng)耀斑和日冕物質(zhì)拋射情況的發(fā)生。前者將釋放高能電磁輻射，通過(guò)光速傳播，大約8 分鐘左右就能抵達(dá)地球，后者將釋放亞光速高能粒子流，快則幾十分鐘，慢則1 ～3 天左右抵達(dá)地球附近。

自伽利略發(fā)明望遠(yuǎn)鏡以來(lái)，人類(lèi)對(duì)太陽(yáng)活動(dòng)的監(jiān)測(cè)大約已有400年的歷史。隨著科學(xué)技術(shù)的發(fā)展，天基太陽(yáng)觀測(cè)能力顯著提升。例如，美國(guó)宇航局和歐空局聯(lián)合發(fā)射的太陽(yáng)與太陽(yáng)風(fēng)探測(cè)器（SOHO），可對(duì)太陽(yáng)黑子活動(dòng)、太陽(yáng)風(fēng)以及太陽(yáng)內(nèi)部結(jié)構(gòu)變化進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)控。近日，歐空局又發(fā)布消息，將啟動(dòng)拉格朗日計(jì)劃，打算在從未嘗試過(guò)的拉格朗日L5 點(diǎn)開(kāi)展太陽(yáng)監(jiān)測(cè)活動(dòng)，并預(yù)計(jì)在2025年左右建立相關(guān)預(yù)警機(jī)制。該計(jì)劃將重點(diǎn)圍繞太陽(yáng)風(fēng)暴開(kāi)展，有效預(yù)測(cè)太陽(yáng)風(fēng)暴爆發(fā)周期，最大程度降低給地球帶來(lái)的負(fù)面影響。

太陽(yáng)風(fēng)暴對(duì)航天器影響

學(xué)術(shù)界通常利用太陽(yáng)黑子相對(duì)數(shù)來(lái)表征太陽(yáng)活動(dòng)長(zhǎng)期水平的高低，并以1755年太陽(yáng)黑子數(shù)最少時(shí)作為第一個(gè)太陽(yáng)活動(dòng)周。在太陽(yáng)活動(dòng)中，其周期變化有時(shí)長(zhǎng)達(dá)11年之久，但也有時(shí)短至幾分鐘的爆發(fā)。目前，太陽(yáng)活動(dòng)已進(jìn)入第24 個(gè)活動(dòng)周期的末期，預(yù)計(jì)2020年1月前后將開(kāi)始第25 個(gè)活動(dòng)周期，并將于2031年6月前后結(jié)束。在此期間，太陽(yáng)活動(dòng)水平較低，太陽(yáng)風(fēng)速也將處于較低水平，因此近期太陽(yáng)活動(dòng)相對(duì)平穩(wěn)。

太陽(yáng)風(fēng)暴給人類(lèi)活動(dòng)帶來(lái)嚴(yán)重影響

太陽(yáng)風(fēng)暴對(duì)人類(lèi)生活造成的威脅與危害是多方面的。歷史上著名的“魁北克事件”是其中的一個(gè)例子。1989年正值第22 個(gè)太陽(yáng)活動(dòng)周期的黑子數(shù)高峰年，僅在一個(gè)月內(nèi)，太陽(yáng)風(fēng)暴就先后產(chǎn)生了約107 次太陽(yáng)X 射線耀斑，其日冕物質(zhì)的拋射也高達(dá)數(shù)十次。太陽(yáng)風(fēng)暴的“席卷”，造成多起重大電力系統(tǒng)故障，加拿大魁北克省的大部分地區(qū)停電長(zhǎng)達(dá)9 小時(shí)以上，600 萬(wàn)居民生活受到嚴(yán)重影響。強(qiáng)烈太陽(yáng)耀斑引起過(guò)39 次強(qiáng)烈短波通訊突然騷擾，其中15次通訊部分中斷，24 次全部中斷。

歐空局（ESA）拉格朗日計(jì)劃L5 觀測(cè)點(diǎn)

太陽(yáng)風(fēng)暴產(chǎn)生的大磁暴還引起過(guò)多起航天器運(yùn)行故障。累計(jì)曾有46 例衛(wèi)星出現(xiàn)異常的記錄。例如，大磁暴引發(fā)美國(guó)國(guó)家氣象衛(wèi)星的信號(hào)中斷，同時(shí)也導(dǎo)致某系列導(dǎo)航衛(wèi)星長(zhǎng)時(shí)間不能正常運(yùn)作，迫使軍事系統(tǒng)跟蹤的幾千個(gè)空中目標(biāo)需重新定位。

據(jù)不完全統(tǒng)計(jì)，類(lèi)似“魁北克事件”的災(zāi)害性空間天氣事件每個(gè)太陽(yáng)活動(dòng)周期平均會(huì)出現(xiàn)幾起至十幾起。再如第23 個(gè)太陽(yáng)活動(dòng)周期中發(fā)生的“萬(wàn)圣節(jié)事件”（因正值西方的萬(wàn)圣節(jié)而得名），造成全球短波通訊中斷，民航通訊出現(xiàn)故障；美國(guó)宇航局的火星探測(cè)衛(wèi)星奧德賽飛船上的觀測(cè)設(shè)備被粒子輻射徹底毀壞；我國(guó)北京、滿洲里等地區(qū)無(wú)線電觀測(cè)點(diǎn)短波信號(hào)也曾因此一度中斷。

隨著現(xiàn)代航天技術(shù)的迅猛發(fā)展，基于太空平臺(tái)的裝備系統(tǒng)和信息系統(tǒng)在太空活動(dòng)中的應(yīng)用愈加廣泛。隨之而來(lái)的是空間天氣對(duì)太空活動(dòng)的影響范圍不斷擴(kuò)大，影響程度也不斷加深。太陽(yáng)風(fēng)暴對(duì)以下幾個(gè)方面具有重要影響：

對(duì)航天活動(dòng)產(chǎn)生影響。太陽(yáng)風(fēng)暴噴發(fā)出的高能帶電粒子可持續(xù)撞擊航天器表面，并造成航天器的輻射損傷。同時(shí)，大量的高能電子也會(huì)穿過(guò)電子器件，嚴(yán)重影響儀器發(fā)出的指令與數(shù)據(jù)圖像。據(jù)分析，當(dāng)飛船在深空航行或航天員在艙外作業(yè)時(shí)，大約有十分之一的概率將受到致命劑量的高能帶電粒子輻射，由此可見(jiàn)其對(duì)航天活動(dòng)產(chǎn)生的危害性。

對(duì)通信、預(yù)警、導(dǎo)航定位等產(chǎn)生影響。隨著太陽(yáng)風(fēng)暴的爆發(fā)，短波無(wú)線電通信和預(yù)警雷達(dá)的可用頻帶會(huì)因電離層突然騷擾而變窄，衛(wèi)星微波通信也會(huì)因電離層閃爍而降低通信質(zhì)量，甚至信號(hào)中斷；GPS 衛(wèi)星導(dǎo)航、定位誤差會(huì)因電離層暴而增至數(shù)十米到數(shù)百米。

肆虐無(wú)情的太陽(yáng)風(fēng)暴

太陽(yáng)風(fēng)暴吹拂地球磁場(chǎng)形成的磁層

魁北克大停電事故中被燒毀的變壓器

對(duì)在軌航天器運(yùn)行產(chǎn)生影響。太陽(yáng)風(fēng)暴導(dǎo)致高層大氣密度發(fā)生劇烈擾動(dòng)，航天器飛行的實(shí)際軌道將嚴(yán)重偏離預(yù)測(cè)軌道，以至地面跟蹤站會(huì)“丟失”跟蹤目標(biāo)。

積極防范，有效化解“太陽(yáng)危機(jī)”

只要采取措施積極防范，空間天氣造成的危害是可以避免的。

監(jiān)測(cè)預(yù)報(bào)。加強(qiáng)太空災(zāi)害天氣的監(jiān)測(cè)預(yù)報(bào)，發(fā)展監(jiān)測(cè)預(yù)報(bào)手段，建立災(zāi)害天氣預(yù)報(bào)機(jī)制。比如在日地拉格郎日點(diǎn)建立空間天氣檢測(cè)站點(diǎn)，在低軌和高軌分別開(kāi)展長(zhǎng)期太空環(huán)境監(jiān)測(cè)，建立地面監(jiān)測(cè)和管理機(jī)構(gòu)，形成太空災(zāi)害天氣的監(jiān)測(cè)預(yù)報(bào)體系，形成監(jiān)測(cè)預(yù)報(bào)機(jī)制。

機(jī)理研究。根據(jù)太空災(zāi)害監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)，開(kāi)展天氣環(huán)境研究，提高對(duì)空間天氣的認(rèn)識(shí)水平；開(kāi)展災(zāi)害天氣對(duì)太空活動(dòng)的影響研究，研究太空環(huán)境對(duì)航天器的影響機(jī)理；開(kāi)展空間天氣對(duì)大氣密度、地球磁場(chǎng)等地球環(huán)境的影響機(jī)理研究。

重視防護(hù)。在現(xiàn)有認(rèn)識(shí)水平的基礎(chǔ)上，綜合考慮技術(shù)難度和成本代價(jià)，研究太空安全裝備對(duì)災(zāi)害天氣的規(guī)避措施，適度提高太空安全裝備的防護(hù)能力。

技術(shù)創(chuàng)新。開(kāi)展太空災(zāi)害天氣應(yīng)對(duì)和防范技術(shù)創(chuàng)新，探索激光通信等新型空間通信手段，降低災(zāi)害天氣對(duì)天基通信的影響。