太空里也有好天氣和壞天氣？科學(xué)家?guī)憬颐亍翱臻g天氣”那些事兒丨世界空間周

答：廣義地說，空間天氣是整個太陽系的物理狀態(tài)。由于人生活在地球上，絕大多數(shù)衛(wèi)星都在地球周圍的太空，因此，人們最關(guān)心的是地球周圍太空的物理狀態(tài)；狹義地說，地球周圍太空的物理狀態(tài)就是空間天氣。

空間天氣主要包含空間磁場和帶電粒子強度在空間的分布及其變化。這會對天基和地基技術(shù)系統(tǒng)導(dǎo)致一系列的不利影響，比如說對電網(wǎng)的安全，對短波通訊，對石油管道等地下管網(wǎng)的壽命，對導(dǎo)航和定位（從而影響飛過高緯的航線），對衛(wèi)星上的電子設(shè)備，對航空乘客和宇航員的健康，對低軌衛(wèi)星的軌道高度等都會造成不利影響。

空間天氣與日常天氣不同?？臻g天氣主要是由等離子體的運動導(dǎo)致的，而天氣是由中性大氣的運動導(dǎo)致的。不過都分好天氣和壞天氣。

問：有哪些因素會影響到空間天氣？

答：影響空間天氣的主要因素是太陽活動，其他因素還有季節(jié)等。

問：常見的空間天氣事件有哪些？

答：磁層高能質(zhì)子增強事件、磁層高能電子增強事件、地磁暴、突然電離層騷擾，電離層暴，熱層暴。

問：對于天氣來說，它的周期是365天，那么空間天氣呢，它的周期是多長時間？

答：空間天氣受太陽活動的控制，因此，太陽活動的周期就是空間天氣的周期，其周期范圍是9-14年，即有些太陽活動周的時間短一點，有些長一點。通過統(tǒng)計分析，發(fā)現(xiàn)太陽活動周的長度大部分為10.6年左右，接近11年。從更長的時間尺度來說，還有接近22年，100年左右的周期以及更長的周期。

問：剛才您提到空間天氣和日常天氣一樣也有好壞之分，那么什么樣的空間天氣為極端空間天氣？極端空間天氣事件主要包含哪幾種？極端空間天氣對人類活動影響有多大？

答：極端空間天氣事件指對天基和地基技術(shù)系統(tǒng)影響非常大的，且出現(xiàn)頻次非常低的事件。當某種事件的出現(xiàn)頻次低于或接近??1‰??。如C級以上太陽耀斑中，X5級以上的耀斑比率接近??1‰，就可以稱之為極端事件。對于磁暴事件，國際上統(tǒng)一把Dst小于等于-250 nT 的磁暴稱為超級磁暴。峰值通量>10^4 (粒子個數(shù)/平方厘米×秒×立體角)的太陽質(zhì)子事件稱為超級太陽質(zhì)子事件，相對論能量的太陽質(zhì)子事件也是極端空間天氣事件，地球靜止軌道上能量2MeV以上電子的日積分超過2x10^9 (cm^2·sr·d)^-1的比率低于7‰，也是一種極端事件……

極端空間天氣事件的危害非常大，一次極端事件有可能會摧毀一顆甚至多顆衛(wèi)星使其永久失效，或者大幅度降低衛(wèi)星的功能(如2000年7月14日的太陽爆發(fā)事件導(dǎo)致一顆衛(wèi)星永久失效，多顆衛(wèi)星功能大幅度降低)，也可能摧毀一個電網(wǎng)或數(shù)個電網(wǎng)（如1989年3月10日的太陽爆發(fā)摧毀了加拿大魁北克省的電網(wǎng)，導(dǎo)致加拿大魁北克省大停電、2003年10月28日的太陽爆發(fā)導(dǎo)致瑞典馬爾默大停電，我國多個電網(wǎng)出現(xiàn)潛在威脅），有可能造成短波通信中斷數(shù)小時（2003年10月28日的太陽爆發(fā)導(dǎo)致滿洲里短波通訊中斷5小時）……如果極端事件非常厲害，很可能摧毀多顆衛(wèi)星，多個電網(wǎng)……

問：剛才您提到，空間天氣主要受太陽活動控制，那么極端空間天氣通常出現(xiàn)在太陽活動周的什么時段？

答：其中，超過65%出現(xiàn)在太陽活動周的下降段，超過80%出現(xiàn)在太陽黑子活動峰值的前兩年和后三年期間，此外，與磁層相互作用形成的極端空間天氣主要出現(xiàn)在春分和秋分附近。

1976-2018年期間大于等于X5級耀斑

1932-2018年期間的超級磁暴，紅色實心圓點代表該超級磁暴是由太陽北半球的日冕物質(zhì)拋射事件造成的，藍色實心圓點代表該超級磁暴是由太陽南半球的日冕物質(zhì)拋射事件造成的。

1932-2018年期間每個月特大磁暴的數(shù)量

1987-2019期間不同月份出現(xiàn)的能量大于2 MeV電子日積分超過109d^?1 cm^?2 sr^?1

問：人們對長期的太陽黑子數(shù)描述的太陽活動和極端空間天氣事件的關(guān)系方面有沒有什么發(fā)現(xiàn)？

答：統(tǒng)計研究發(fā)現(xiàn)，太陽黑子數(shù)描述的太陽活動周越強，極端事件的數(shù)量總體上越多，但一個太陽活動極端事件的最大強度與太陽黑子數(shù)描述的太陽活動周強度的相關(guān)系數(shù)非常低，即弱的太陽活動周可能出現(xiàn)比強的太陽活動周更惡劣的空間天氣事件。

太陽活動周的幅度和太陽活動周特大磁暴數(shù)量的相關(guān)性

太陽活動周的幅度和太陽活動周內(nèi)的最強磁暴的相關(guān)性

問：面對極端空間天氣事件，應(yīng)采取什么措施，把極端空間天氣事件的危害盡可能減少？

答：原則上可以對所有航天器的抗輻射加固設(shè)計方面做得足夠充分（成本會大幅度增加），從而保證航天器即使在極端惡劣環(huán)境下，也可以正常工作。要想經(jīng)濟高效，可以只對特定的一些軌道，進行過量抗輻射加固設(shè)計。

通常情況下，對于航天器，在惡劣的空間天氣情況下，容易受帶電粒子攻擊的電子設(shè)備可以考慮關(guān)閉一段時間。

對于低軌航天器，可以適度把衛(wèi)星軌道高度略微提升一點，對于宇航員應(yīng)取消艙外作業(yè)、對于電網(wǎng)應(yīng)調(diào)低電流（或者把電網(wǎng)變壓器的功率提高足夠多-大幅度提高成本）、對于穿越高緯的航班，需要改變航線或者取消航班（等極端事件結(jié)束之后再恢復(fù)），漁民取消海上作業(yè)及時返航……

問：目前科學(xué)家們是如何監(jiān)測和預(yù)測空間天氣事件的？可以提前多久進行預(yù)測？準確率如何？

答：空間天氣的監(jiān)測分為地基和天基的。地基監(jiān)測網(wǎng)可以監(jiān)測太陽活動、行星際和地球磁場、電離層和中高層大氣等。天基可以監(jiān)測航天器所在位置的太空環(huán)境（等離子體信息、高能粒子信息、磁場信息等），可以遙測太陽活動，還有抵近太陽的觀測。通過天基地基的監(jiān)測，人們可以實現(xiàn)中高層大氣、電離層、磁層、行星際空間到太陽的全域監(jiān)測。

通過對大量不同事件的個例分析，以及通過對大量事件的統(tǒng)計研究和數(shù)值模擬研究，人們建立了很多空間天氣的統(tǒng)計模型與數(shù)值模型。人們利用這些模型開展空間天氣預(yù)報?？臻g天氣預(yù)報分為提前1小時左右的臨近預(yù)報、提前1-3天的短期預(yù)報、提前27天的中期預(yù)報、提前三個月甚至更長時間的長期預(yù)報。對于太陽突然爆發(fā)事件（耀斑和日冕物質(zhì)拋射）的預(yù)報準確率目前還比較低，相對來說，磁暴的預(yù)報準確率要高很多，但要完全準確預(yù)報磁暴的強度目前依然非常困難，對于電離層暴和中高層大氣密度變化的預(yù)報準確率都不高。

問：關(guān)于空間天氣研究，目前有哪些新趨勢？

答：因為研究水平依賴觀測水平的高低和采用的研究方法的先進程度，所以，空間天氣研究的新趨勢首先是要加強觀測，比如對太陽進行多視角成像觀測、加強行星際空間的（非一條直線的）多點就地觀測、加強磁層空間的多點就地觀測和南北極極光不間斷觀測（這些都需要大量的經(jīng)費投入）。

過去在針對突然爆發(fā)的空間天氣事件，主要開展爆發(fā)的物理機制研究和統(tǒng)計研究，現(xiàn)在人們也開始把深度學(xué)習(xí)和機器學(xué)習(xí)等方法引入，并與物理機制研究、統(tǒng)計研究結(jié)合起來開展對各類空間天氣事件研究。

問：今年世界空間周的主題是空間科學(xué)與氣候變化，從您長期做空間與天氣研究的角度看，太陽活動與地球上的天氣氣候是什么樣的關(guān)系？

答：長期觀測發(fā)現(xiàn)，在太陽黑子數(shù)多的時期（太陽活動高年），梅雨帶明顯北移，而在黑子數(shù)較少的時期（太陽活動低年），梅雨帶明顯南移。

在太陽活動高年，淮河地區(qū)降水多，降水范圍大；在太陽活動低年，淮河地區(qū)降水少，降水范圍小。

地球大氣臭氧的數(shù)量與太陽活動的強度總體呈現(xiàn)反相關(guān)的關(guān)系，這會造成太陽活動低年氣溫偏低，太陽活動高年氣溫偏高。

在太陽活動高年宇宙線強度下降，可能導(dǎo)致云更少，降雨減少，從而有利于氣溫升高。反之，在太陽活動低年，有利于氣溫下降。

太陽活動影響氣候的主要因素是太陽總輻射強度。從長期看，太陽總輻射強度并不是一個固定值，它會有一個小幅度的波動。

太陽總輻射常數(shù)是指在日地平均距離處，地球大氣上界垂直于太陽光線的單位面積上在單位時間內(nèi)所接收到的太陽輻射的總能量。

專家支持：樂貴明，國家空間天氣監(jiān)測預(yù)警中心研究員

出品：科普中國X中國氣象學(xué)會X中國宇航學(xué)會