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    人类正在努力推进空间天气监测工程

    L1点对太阳进行了常规观测。2006年7月在北京召开的第36届世界空间科学大会上,科学家为人们播放了2003年10月由于日冕物质抛射粒子使SOHO飞船的照相机布满晕状亮点的图像,这些亮点恰是要发生巨大地磁暴的前兆。于是,SOHO飞船提前几小时发出了-,使人们有足够的时间关掉卫星电源,减少了空间灾害性天气对卫星的损害。尽管如此,仍然有很大一部分地磁暴无法预测。 

      其实,地磁暴并不是唯一的空间灾害。由地球电离层中的密度空耗区所导致的无线电波闪烁也可以使得卫星对地通信中断,这些低密度的等离子体区域范围可达数百公里,通常在黄昏和夜晚出现在赤道附近。目前,科学家仍不清楚这些电离层泡是如何产生的。 

      由美国空军实验室和位于新墨西哥州克特兰市的美国国防部空间发展与测试局共同运营的耗资1亿美元的C/NOFS计划,将第一次实现连续不间断地探测电离层泡区域的等离子体密度。“这是一个令人振奋的计划,”密歇根大学的空间科学家利蒙赫说,“它将提高人们预报这些空间灾害的能力,同时帮助我们理解它们产生的机理。” 

      虽然C/NOFS计划的首要目的是向美国军方提供预警信息,但美国宇航局下属的戈达德空间飞行中心的C/NOFS项目科学家里关表示,该项目所获取的科学数据可以为更多领域使用。该项目原计划在2004年实施,因技术故障,现已延期到2008年中期发射。 

      除美国的计划之外,中国的“夸父”计划也引起航天领域更多人的关注。“夸父”计划预研领导人、北京大学涂传诒院士称,中国完全有能力制造和发射“夸父”卫星,中国科学家在研制观测仪器方面也担任了重要角色。“夸父”计划的参与者、加拿大Calgary大学的埃里克·多诺万说,“夸父”计划是未来几年里中国最有雄心的空间科研项目,它包含了许多项中国的首创技术,一旦顺利发射升空,将极大提高中国在空间研究领域的地位。“夸父”计划的合作者施文说,“凭借这一计划,中国将跻身国际空间科学界前沿。” 

      据介绍,中国国家航天局计划在2007年春季对“夸父”计划进行全面评审,并在2009年最终决定是否立项。施文说:“由于L1点上的两颗卫星———SOHO和NASA的ACE卫星已经超期服役多年,‘夸父’计划显得尤为重要。几年后,如果我们在日冕物质抛射观测方面束手无策的话,其后果就如同我们对龙卷风或飓风毫无防备那样,地磁暴等空间灾难将肆无忌惮地危害人类。” 

      空间天气事件对人类生活的影响 

      

      太阳风影响地球磁场的示意图。细白线代表太阳风,而围绕地球的粗线代表磁场

      太阳“主宰”空间天气 

      太阳是人类赖以生存的光明与温暖之源,而它也有不为人知的、给地球带来破坏性灾难的一面。 

      太阳是一个剧烈活动的天体,与日地空间环境关系较密切的太阳结构和活动现象包括:太阳磁场、黑子、耀斑、冕洞、暗条、日冕物质抛射等。 

      太阳耀斑能导致空间电磁环境变化及地磁扰动。耀斑爆发后,强紫外辐射能使低电离层电离度增加。耀斑爆发的高能粒子到达地球附近会引起地磁暴,并造成短波无线电通讯中断等问题。 

      日冕物质抛射(CME)是日冕物质在较短时间内大规模抛离太阳,进入行星际空间,并引起太阳风扰动的一种太阳活动现象,也是与空间扰动关系最密切的太阳爆发事件。一次日冕抛射事件抛出的太阳物质可达1011—1013千克,能量可达1022—1026焦耳。在太阳活动高峰年,每天可发生3—4次日冕物质抛射事件。 

      CME产生的高速等离子体团,会产生行星际激波,也被形象地称为太阳风暴,当它吹过地球时,常会使地球空间环境的结构、状态和动力学行为发生急剧变化。 

      目前与空间天气密切联系的太阳和行星际科学问题有以下几个:(1)太阳爆发事件发生的地点与时间。在几天内获取可靠的预警与预报,这是一个亟待解决的大问题。(2)太阳高能粒子的加速。这是与前一个问题相关的基础科学问题。不同的CME事件会生成不同高能离子流射向地球,而我们并不知道其成因。(3)对CME结构和行星际传播的预报。即使观测到了太阳表面的CME,我们仍然无法确定其是否会到达地球。即便它能够到达,如果没有实地观测,我们也无法确知该事件是否会对地球造成影响。 

      谜一样的太阳风 

      太阳不断喷发高温、高速等离子体,即太阳风,其速度可高达每秒1000公里。它的起源、加速和加热机制是空间物理学的一个基本问题。 

      太阳风压缩地球磁场,把地磁场限制在一个空腔范围内,这就是磁层。当太阳风流过磁层顶时,一部分能量、动量和质量会传输到磁层里来,从而引起磁层内部等离子体的大尺度对流运动,与运动相伴随的是大尺度磁层电场和电流。这些大尺度结构和过程表现了磁层的主要特征,决定着磁层粒子运动的轨迹和等离子体波传播的特性,磁层小尺度结构和过程也是在这种大尺度背景中发生的。 

      磁场重联是太阳风向磁层输运能量的最主要形式,通过重联太阳扰动非常容易到达磁层内部。磁尾也会通过类似的重联过程,把太阳风输人的能量释放出来,形成磁暴和亚暴。磁暴和亚暴是整个磁层电离层系统的剧烈扰动事件,是爆发性能量输入和耗散的过程,它涉及电磁场变化、粒子流、等离子体波爆发、极光等许多相关现象。这是空间天气最主要的研究和预报内容。 

      强磁暴可使卫星和电网短路。电离层会对无线电的仪器电路产生影响,电磁波受到电离层影响时,会产生百万分之一或千万分之一的距离误差,对于对精确度要求极高的国防军事项目来说,这个偏差就显得至关重要。因此为免受到冲击,可以在太阳暴发生影响时提前关闭电路。 

      此外,电离层还会影响宇航员的身体健康。所以当大粒子爆发时,宇航飞行就要选择相对平静的时间。德国马克思-普朗克太阳系研究所的太阳物理学家雷纳·施文说,如果1972年12月“阿波罗号”探月计划提前4个月发射的话,这些宇航员可能会被当时一系列来自强耀斑和CME的能量粒子的“枪林弹雨”杀死。未来登陆月球或者火星的宇航员,也将面临同样的危险。 

      空间天气能否准确预测 

      人类能否像做天气预报那样,事先将空间环境的各种灾害性的变化进行预报,避免或把损失降至最低? 

      近年来,随着社会的进步,人们对航天、通信、导航、国家安全等高科技领域的需求日益迫切,空间灾害所带来的严重危胁和巨大损失越来越引起重视。空间天气学应运而生,它主要研究太空灾害性天气的变化规律,进而实现对太空天气的预报,为人类的太空活动和国家安全服务。 

      空间天气学的研究对象主要是太阳大气、行星际和地球的磁层、电离层和中高层大气等,当前开展的主要研究涉及:太阳活动过程和物质输出结构;太阳风暴的形成、演化以及和地球的相互作用;地球空间系统的空间灾害性天气过程的因果链模式等方面。 

      对空间天气预报起到极为关键作用的,是在日地之间L1点上监测太阳风的一颗卫星,然而目前在这一位置只有ACE卫星。 

      从1994年底美国提出国家空间天气战略计划至今,空间天气研究、服务、计划的制定和实施已迅速在各国和国际间展开,全球性研究和国际合作也日益深入。空间天气预报正成为世界范围关注的科技活动热点之一。 

      世界各国相继制定了空间天气起步计划,其中最重要的是美国国家空间天气计划和欧空局的欧洲空间天气计划。 

      背景资料:历史上的灾害性空间天气事件 

      恶劣的空间天气可使地面和空间技术系统受到严重影响。历史上有记载的最早的灾害性空间天气事件,是出现在电报业。 

      1859年8月28日到9月2日,天空出现极光。在加拿大、美国和法国的一些城市,电报业务以及电报站间的通信都受到严重阻碍或中断。 

      1989年3月13日至14日,太阳风暴造成加拿大魁北克地区电网停电,600万人遭受停电之苦,挨冻一天。同时,全球无线电信号受到干扰;日本一颗通信卫星异常;美国一颗卫星轨道下降。 

      2000年7月14日发生的巴士底事件,是几十年来发生的最大一次太阳耀斑和日冕物质抛射事件,整个地球物理效应非常明显。这一现象造成了巨大的地磁暴,地球轨道高能粒子流量非常大,地球的电离层受到强烈干扰,短波通信中断。在整个事件中丢失了一颗科学卫星,还有许多卫星一时无法正常工作。 

      2003年10月28日发生的万圣节事件,太阳耀斑级数高达X28级,这是有记载以来发生的最大太阳耀斑,所幸当太阳耀斑爆发时,耀斑位置已转到日面边缘,否则对空间和地面技术系统造成的损害不堪设想。  


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