作者：劉勇（中國科學(xué)院國家空間科學(xué)中心太陽活動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”衛(wèi)星成功記錄了第25太陽活動周截至目前最大的耀斑，再次刷新了第25太陽活動周最大耀斑的紀(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)有時候會嚴(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影響。通常太陽爆發(fā)對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。出現(xiàn)耀斑時，太陽表面有一小部分會突然變亮。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。如果耀斑正好對著地球，耀斑發(fā)出的強(qiáng)烈輻射會擾動電離層，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”衛(wèi)星，成功地記錄了第25太陽活動周截至目前最大的耀斑。這是一個X5.0級耀斑，同時還伴隨日冕物質(zhì)拋射，這也再次刷新了第25太陽活動周最大耀斑的紀(jì)錄。“夸父一號”衛(wèi)星的三個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”衛(wèi)星的觀測數(shù)據(jù)，同時結(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級耀斑開展進(jìn)一步的科學(xué)研究。

　　太陽活動同樣會產(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。太陽高能粒子會對衛(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)計制造需要努力防護(hù)的。不止空間活動，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，所以在太陽活動期間，航空公司都會避免飛機(jī)飛越極區(qū)，而是采用其他的航線。

　　對于地球來說，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)地球只需要十幾個小時。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)地球附近時和地球磁場相互作用，能強(qiáng)烈擾動地球的磁場，形成磁暴，同時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。

　　磁暴會在高緯度地區(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。

　　磁暴會在地球磁層里產(chǎn)生大量的振蕩，這些振蕩會讓各種粒子加速，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)入太空時代以來，還沒有超級強(qiáng)烈的磁暴發(fā)生過，我們對此并沒有切身體會。

　　除了對磁層形成干擾，磁暴還會引起大氣密度上升。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)動機(jī)調(diào)整軌道，最后在大氣層中燒毀。

　　2.這個太陽活動周期很猛烈

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

　　目前正處于太陽活動第25周期，從現(xiàn)在的太陽活動趨勢來看，這個周期很可能非常活躍，比之前的周期猛烈。

　　我們即將進(jìn)入這個太陽周期的高峰期，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)致的錯誤命令或者代碼。

　　此外，航天器可以增加一些對抗高能粒子輻射的保護(hù)裝置。例如，加裝防護(hù)罩。但現(xiàn)代社會的航天活動日益頻繁，尤其是商業(yè)航天活動。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)入星際旅行時代，這也就意味著，空間天氣預(yù)報將更加重要。

　　3.我國正構(gòu)建空間天氣預(yù)報“天地網(wǎng)”

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

　　太陽耀斑無法預(yù)測，但太陽表面的活動區(qū)都能觀測到，當(dāng)這些活動區(qū)面對地球時，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、什么時間到達(dá)地球都能被預(yù)報。只是現(xiàn)在的模型尚不能準(zhǔn)確預(yù)報，還需要不斷完善，才能更加準(zhǔn)確地預(yù)報磁暴發(fā)生的時間和等級。

　　在空間天氣預(yù)報方面，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個監(jiān)測臺站，建成一個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個臺站。它們將和一期的監(jiān)測臺站一起，組成一個“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)時自動補(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)。利用這個望遠(yuǎn)鏡，我國科學(xué)家還開展了我國首次脈沖星實(shí)時成像觀測；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”“羲和號”，它們也將在空間天氣預(yù)報方面大顯身手。其中，“羲和號”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”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”日地L5太陽探測工程論證，根據(jù)論證方案，“羲和二號”將爭取于2026年左右發(fā)射至日地L5點(diǎn)，對太陽進(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”發(fā)射后，可深入探索太陽活動區(qū)磁場的起源和演化，研究太陽爆發(fā)的傳播規(guī)律和對地響應(yīng)，還可為實(shí)現(xiàn)空間天氣及時預(yù)警及準(zhǔn)確預(yù)報提供關(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)報空間天氣，有效應(yīng)對空間天氣可能帶來的災(zāi)害。

　　《光明日報》（2024年01月11日 16版）