太空里也有好天气和坏天气？科学家带你揭秘“空间天气”那些事儿丨世界空间周

每年10月4日至10日是世界空间周，2024年世界空间周主题为“空间科学与气候变化（Space & Climate Change）”。

当下，我们正面临着前所未有的气候挑战，而空间科学正逐渐成为理解和解决这些挑战的关键。从太阳活动到地球大气层的相互作用，空间与气候变化之间的联系日益凸显。在2024年世界空间周到来之际，科普中国邀请国家空间天气监测预警中心的乐贵明研究员，为大家揭秘空间科学特别是空间天气对我们人类和地球的影响。

问：什么是空间天气，它和我们日常天气一样吗？

答：广义地说，空间天气是整个太阳系的物理状态。由于人生活在地球上，绝大多数卫星都在地球周围的太空，因此，人们最关心的是地球周围太空的物理状态；狭义地说，地球周围太空的物理状态就是空间天气。

空间天气主要包含空间磁场和带电粒子强度在空间的分布及其变化。这会对天基和地基技术系统导致一系列的不利影响，比如说对电网的安全，对短波通讯，对石油管道等地下管网的寿命，对导航和定位（从而影响飞过高纬的航线），对卫星上的电子设备，对航空乘客和宇航员的健康，对低轨卫星的轨道高度等都会造成不利影响。

空间天气与日常天气不同。空间天气主要是由等离子体的运动导致的，而天气是由中性大气的运动导致的。不过都分好天气和坏天气。

问：有哪些因素会影响到空间天气？

答：影响空间天气的主要因素是太阳活动，其他因素还有季节等。

问：常见的空间天气事件有哪些？

答：磁层高能质子增强事件、磁层高能电子增强事件、地磁暴、突然电离层骚扰，电离层暴，热层暴。

问：对于天气来说，它的周期是365天，那么空间天气呢，它的周期是多长时间？

答：空间天气受太阳活动的控制，因此，太阳活动的周期就是空间天气的周期，其周期范围是9-14年，即有些太阳活动周的时间短一点，有些长一点。通过统计分析，发现太阳活动周的长度大部分为10.6年左右，接近11年。从更长的时间尺度来说，还有接近22年，100年左右的周期以及更长的周期。

问：刚才您提到空间天气和日常天气一样也有好坏之分，那么什么样的空间天气为极端空间天气？极端空间天气事件主要包含哪几种？极端空间天气对人类活动影响有多大？

答：极端空间天气事件指对天基和地基技术系统影响非常大的，且出现频次非常低的事件。当某种事件的出现频次低于或接近‌‌1‰‌‌。如C级以上太阳耀斑中，X5级以上的耀斑比率接近‌‌1‰，就可以称之为极端事件。对于磁暴事件，国际上统一把Dst小于等于-250 nT 的磁暴称为超级磁暴。峰值通量>10^4 (粒子个数/平方厘米×秒×立体角)的太阳质子事件称为超级太阳质子事件，相对论能量的太阳质子事件也是极端空间天气事件，地球静止轨道上能量2MeV以上电子的日积分超过2x10^9 (cm^2·sr·d)^-1的比率低于7‰，也是一种极端事件……

极端空间天气事件的危害非常大，一次极端事件有可能会摧毁一颗甚至多颗卫星使其永久失效，或者大幅度降低卫星的功能(如2000年7月14日的太阳爆发事件导致一颗卫星永久失效，多颗卫星功能大幅度降低)，也可能摧毁一个电网或数个电网（如1989年3月10日的太阳爆发摧毁了加拿大魁北克省的电网，导致加拿大魁北克省大停电、2003年10月28日的太阳爆发导致瑞典马尔默大停电，我国多个电网出现潜在威胁），有可能造成短波通信中断数小时（2003年10月28日的太阳爆发导致满洲里短波通讯中断5小时）……如果极端事件非常厉害，很可能摧毁多颗卫星，多个电网……

问：刚才您提到，空间天气主要受太阳活动控制，那么极端空间天气通常出现在太阳活动周的什么时段？

答：其中，超过65%出现在太阳活动周的下降段，超过80%出现在太阳黑子活动峰值的前两年和后三年期间，此外，与磁层相互作用形成的极端空间天气主要出现在春分和秋分附近。

1976-2018年期间大于等于X5级耀斑

1932-2018年期间的超级磁暴，红色实心圆点代表该超级磁暴是由太阳北半球的日冕物质抛射事件造成的，蓝色实心圆点代表该超级磁暴是由太阳南半球的日冕物质抛射事件造成的。

1932-2018年期间每个月特大磁暴的数量

1987-2019期间不同月份出现的能量大于2 MeV电子日积分超过109d^−1 cm^−2 sr^−1

问：人们对长期的太阳黑子数描述的太阳活动和极端空间天气事件的关系方面有没有什么发现？

答：统计研究发现，太阳黑子数描述的太阳活动周越强，极端事件的数量总体上越多，但一个太阳活动极端事件的最大强度与太阳黑子数描述的太阳活动周强度的相关系数非常低，即弱的太阳活动周可能出现比强的太阳活动周更恶劣的空间天气事件。

太阳活动周的幅度和太阳活动周特大磁暴数量的相关性

太阳活动周的幅度和太阳活动周内的最强磁暴的相关性

问：面对极端空间天气事件，应采取什么措施，把极端空间天气事件的危害尽可能减少？

答：原则上可以对所有航天器的抗辐射加固设计方面做得足够充分（成本会大幅度增加），从而保证航天器即使在极端恶劣环境下，也可以正常工作。要想经济高效，可以只对特定的一些轨道，进行过量抗辐射加固设计。

通常情况下，对于航天器，在恶劣的空间天气情况下，容易受带电粒子攻击的电子设备可以考虑关闭一段时间。

对于低轨航天器，可以适度把卫星轨道高度略微提升一点，对于宇航员应取消舱外作业、对于电网应调低电流（或者把电网变压器的功率提高足够多-大幅度提高成本）、对于穿越高纬的航班，需要改变航线或者取消航班（等极端事件结束之后再恢复），渔民取消海上作业及时返航……

问：目前科学家们是如何监测和预测空间天气事件的？可以提前多久进行预测？准确率如何？

答：空间天气的监测分为地基和天基的。地基监测网可以监测太阳活动、行星际和地球磁场、电离层和中高层大气等。天基可以监测航天器所在位置的太空环境（等离子体信息、高能粒子信息、磁场信息等），可以遥测太阳活动，还有抵近太阳的观测。通过天基地基的监测，人们可以实现中高层大气、电离层、磁层、行星际空间到太阳的全域监测。

通过对大量不同事件的个例分析，以及通过对大量事件的统计研究和数值模拟研究，人们建立了很多空间天气的统计模型与数值模型。人们利用这些模型开展空间天气预报。空间天气预报分为提前1小时左右的临近预报、提前1-3天的短期预报、提前27天的中期预报、提前三个月甚至更长时间的长期预报。对于太阳突然爆发事件（耀斑和日冕物质抛射）的预报准确率目前还比较低，相对来说，磁暴的预报准确率要高很多，但要完全准确预报磁暴的强度目前依然非常困难，对于电离层暴和中高层大气密度变化的预报准确率都不高。

问：关于空间天气研究，目前有哪些新趋势？

答：因为研究水平依赖观测水平的高低和采用的研究方法的先进程度，所以，空间天气研究的新趋势首先是要加强观测，比如对太阳进行多视角成像观测、加强行星际空间的（非一条直线的）多点就地观测、加强磁层空间的多点就地观测和南北极极光不间断观测（这些都需要大量的经费投入）。

过去在针对突然爆发的空间天气事件，主要开展爆发的物理机制研究和统计研究，现在人们也开始把深度学习和机器学习等方法引入，并与物理机制研究、统计研究结合起来开展对各类空间天气事件研究。

问：今年世界空间周的主题是空间科学与气候变化，从您长期做空间与天气研究的角度看，太阳活动与地球上的天气气候是什么样的关系？

答：长期观测发现，在太阳黑子数多的时期（太阳活动高年），梅雨带明显北移，而在黑子数较少的时期（太阳活动低年），梅雨带明显南移。

在太阳活动高年，淮河地区降水多，降水范围大；在太阳活动低年，淮河地区降水少，降水范围小。

地球大气臭氧的数量与太阳活动的强度总体呈现反相关的关系，这会造成太阳活动低年气温偏低，太阳活动高年气温偏高。

在太阳活动高年宇宙线强度下降，可能导致云更少，降雨减少，从而有利于气温升高。反之，在太阳活动低年，有利于气温下降。

太阳活动影响气候的主要因素是太阳总辐射强度。从长期看，太阳总辐射强度并不是一个固定值，它会有一个小幅度的波动。

太阳总辐射常数是指在日地平均距离处，地球大气上界垂直于太阳光线的单位面积上在单位时间内所接收到的太阳辐射的总能量。

专家支持：乐贵明，国家空间天气监测预警中心研究员

出品：科普中国X中国气象学会X中国宇航学会