新浪科技综合|太空里也有天气？地球外的宇航员也需要看“天气预报”吗？_

来源：数字北京科学中心
刮风、下雨、阴天、晴天……生活在地面上的我们已经习惯了天气的变化。
如果你对气象学有所了解，就会知道地球上的天气主要受到了太阳的影响，正是太阳的能量驱动着地球上的水与空气，形成了丰富的天气现象。
那么问题来了，远在“九霄之外” ，接近真空的宇宙空间里会有“天气”存在吗？没有大气哪里来的天气呢？
太阳：我的势力遍布太阳系
太阳，一颗炽热的天体，它散发出的光芒“供养”了地球上的万物生灵，它的热量驱动着地球上的风起云涌。
但你知道吗？地球仅仅吸收了太阳释放总能量的二十亿分之一，从太阳辐射出的光、带电粒子几乎可以遍及整个太阳系，这些物质的变化涌动就形成了“太空中的天气” ，也就是我们今天要介绍的空间天气。

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空间天气是指因太阳活动而产生的空间环境的变化。作为生活在地球上的人类，我们更关注地球附近的空间环境是怎么受太阳活动改变的，当太阳活动剧烈时，就可能对地球以及人类活动造成影响。
接下来，就让我们见识见识太阳的“招数” 。
太阳：改变空间天气我有“三招”
太阳活动剧烈时，往往会出现三个现象，它们分别是太阳耀斑、高能带电粒子流和日冕物质抛射。

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2011年9月5日至9月9日太阳活动（极紫外线）；在极紫外线波段观测太阳即可观察到太阳活动，又能获得太阳的磁场信息  来源|北京科学中心小球大世界特色展区
>>>>太阳耀斑
太阳耀斑是指太阳某个区域发出的光突然变强，主要释放光能。如果你在这时用仪器观测太阳，就会发现这里有个明亮的“十字形”光芒。
太阳耀斑爆发出的电磁波频率范围极广，从伽马射线到无线电波都包含在内。当太阳耀斑发生的区域正好朝向地球时，就会有强度极高的电磁波，以全宇宙最快的速度（光速， 299792458m/s），向地球冲来。

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太阳耀斑，不同颜色表示不同频率下观测 来源|国家空间天气监测预警中心
由于太阳耀斑产生的光能以光速传播，因此预测太阳耀斑并不是很容易，当你在地球附近观测到它发生时，它的能量就已经传播到地球周围的空间了。
可能有小伙伴会疑惑，光能造成什么危害呢？它对地球空间环境最直接的影响是干扰电离层。
电离层在大气层的外层，这里的大气受太阳辐射影响处于部分电离的状态，存在着大量的等离子体。
这样的组成使得电离层可以反射一定频率范围的电磁波（短波），而更高频段的电磁波却可以穿透电离层。

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来源|abbao.cn
借助这个特性，人们发明了“天波通信” ，人们将短波信号向天空发射，经由电离层的反射，再次回到地面，实现远距离无线信号传输。
然而对于卫星和航天器，我们就要选择能穿过电离层的电磁波频段来实现卫星或航天器与地面之间的通信。

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【新浪科技综合|太空里也有天气？地球外的宇航员也需要看“天气预报”吗？】图5/11
来源|国家空间天气监测预警中心
当太阳耀斑发出的电磁波达到地球电离层后，会使平静、均匀、结构完整的电离层受到扰动，使电离层密度不均，甚至团块化——有些地方出现电离层空洞，有些地方的电离层又会突然变厚。
这时一些原本应该被电离层反射的短波可能会在空洞处穿出，一些原本该穿过电离层传到卫星的信号可能会被增厚的区域阻挡。整个短波通信和卫星通信都会处于混乱的状态。
虽然不像地震洪水一样，会造成实实在在的伤害，但对于卫星通信已经十分普及的今天，这样的混乱的局面也会带来不少麻烦甚至酿成事故。
>>>>高能带电粒子流
伴随着太阳耀斑会同时发生高能带电粒子流，但由于带电粒子的运动速度达不到光速，约数万千米每秒，因此它会在强光“袭击”完地球后再到达。
如果太阳耀斑产生的强光是“魔法攻击” ，那么高能带电粒子流带来的则是“物理伤害” 。
我们知道卫星上的芯片会用高低电平来代表数字信号的0与1 ，借由芯片内各个元件高低电平的变化来存储信息、计算数据，为卫星下指令，使其正常在轨运行，并实现特定的功能。
当高速的带电粒子轰击到卫星的芯片时，会改变电路的状态，本来低电平的元件可能被带电粒子激发到高电平。这时芯片就会给卫星下达错误指令，使卫星无法正常工作。大量能量很高的带电粒子甚至会直接损坏芯片。

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2003年11月，一系列强太阳活动后，高能粒子流损坏了多颗卫星，数十颗卫星数据异常或无数据，日本的一颗卫星与地面失联。
除了卫星，更多的高能带电粒子流会轰击到地球大气，使高空大气的密度剧烈上升，有时可能会上升数百倍。
要知道很多卫星和航天器都是在近地轨道运行的，这里依然有着稀薄的大气。在空气阻力作用下，卫星和航天器的速度会慢慢降低，使得轨道高度不断下降。因此，卫星和航天器需要不时地点火加速，维持轨道高度，避免坠毁。
当高能粒子流使高层大气密度剧烈上升时，大气对卫星的阻力也会异常增加，使得卫星速度和轨道高度骤降，如果不及时进行人为控制，卫星和航天器很可能坠毁。但紧急加速会消耗额外的燃料，这会缩短航天器在轨时间，使其寿命减短。
>>>>日冕物质抛射
太阳最强力的第三招便是日冕物质抛射，形象地说就是太阳上的一小部分被抛了出来。
日冕物质是温度达到上百万摄氏度的等离子体，速度在几百到上千千米每秒。它的厉害之处是体量巨大，抛射出的物质足足有上亿吨，甚至有可能达到几百亿吨。这一大坨高温等离子体以“排山倒海”之势扫向地球，后果可想而知。
地球也不是束手无策，它最好的防护正是地磁场。
磁场能使带电粒子的方向改变，让它们绕过地球，一部分带电粒子会沿着地磁场注入地球的南北两极，形成极光。

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来源|国家空间天气监测预警中心

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来源|网络
与平时正常的“太阳风”不同，来势汹汹的日冕物质会剧烈改变地磁场原本的大小、方向、强度。地磁场急剧改变时，就会发生地磁暴。
还记得物理课上被电磁感应定律支配的恐惧吗？当磁场改变，恰好还穿过导体时会发生什么？
没错，会产生感应电流！当地磁场剧烈变化，会在输电线、变电箱内产生感应电流，当原有的电流和地磁场变化产生的感应电流超过最大的载荷时就会造成大规模停电。
历史上曾多次出现地磁暴引起的大停电事件，如1989年加拿大魁北克大停电， 2003年11月万圣节风暴大停电等。

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大量高能的粒子涌向地球，也会使高空大气密度剧烈上升，还是2003年的那次大爆发，发生了至少80次日冕物质抛射， 400千米高度的地球大气密度较以往提升了5到8倍。
当时正赶上我国神舟五号任务，杨利伟已乘坐返回舱回到地面，但是轨道舱依然在轨运行，继续着科学实验。
由于高层大气密度明显增加，神舟五号的留轨舱受此影响轨道高度明显降低，不得不消耗燃料提升轨道，以避免提前坠毁，但是造成了燃料的额外使用，缩短了在轨任务时间。
这次太阳活动爆发也是有记录以来最大的一次。一个月内，发生了143次耀斑，至少80次日冕物质抛射。几乎所有的人造航天器都受到了影响，多颗人造卫星进入低功耗的安全模式，以尽可能减少错误代码出现，甚至木星、土星附近的探测器都没有幸免。

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2003年10月19日至11月4日太阳活动（X射线） 来源|北京科学中心小球大世界特色展区
其中， 46颗通讯卫星出现异常，一颗日本卫星完全失控。远在火星的奥德赛火星探测器被高能粒子损坏，国际空间站紧急关闭了机械臂，关闭舱门，宇航员多次临时终止任务，躲避高能辐射。
大量高能粒子从地球两极注入地球大气，发生剧烈碰撞，产生范围极大的极光，在北纬25度都能用肉眼看到极光。跨越极地的航班因短波通讯中断而临时取消或修改航线。
除了这次， 2012年7月太阳也发生过一次更剧烈的爆发，但幸运的是它并没有面向地球。要知道2012年电子设备已经融入各行各业，如果此次爆发“命中”地球，后果不堪设想。

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来源|国家空间天气监测预警中心
面对空间天气灾害我们能做些什么呢？进行持续的观测至关重要，包括在地面上的观测以及利用卫星观测，同时要构建起及时、准确的预告-预警-应对机制。
目前我国已经具备独立自主的空间天气监测能力。可利用实时数据和已有的预报模型，完成数小时或数天的预警。
其实，小伙伴们也不用过度担心，异常的空间天气带来的辐射、高能粒子、地磁暴等会中断通讯，损坏输电设施，却几乎不会伤害到我们的血肉之躯。如果有一天人类再次面临严重的太阳爆发，要记住：不恐慌，不传谣，远离大型电力设施，配合社区工作人员安心度过这段没有网、没有电的时光。