什么是空間天氣？為何航天發射和“太空漫步”都關注它？

10月26日

神舟十七號載人飛船發射成功

此次載人飛行任務還將實施

航天員出艙活動及載荷出艙等

10月26日，搭載神舟十七號載人飛船的長征二號F遙十七運載火箭在酒泉衛星發射中心點火發射 圖/人民日報微博

那么

航天發射和航天員“太空漫步”

與空間天氣有何關系？

為何航天員尤為關注空間天氣？

什么是空間天氣？會帶來哪些影響？

在一些高緯度國家和地區，可以看到絢爛的極光在夜空飄蕩，訴說美麗的同時也“泄露”著宇宙的秘密——空間天氣。

空間天氣在日地空間中，能影響空間、地面技術系統的運行和可靠性，以及危害人類健康和生命的條件、狀態或事件。“太陽活動是空間天氣變化的主要源頭，因此太陽活動的強弱是決定空間天氣的主要因素。”國家衛星氣象中心空間天氣預報臺首席預報員陳安芹說。

風云三號E星太陽望遠鏡極紫外通道監測到一次耀斑爆發畫面 圖片來源：國家空間天氣監測預警中心

空間天氣中的“風”是太陽風，“雨”則是來自太陽的帶電粒子雨，與地球上的天氣一樣，空間天氣也會“陰晴不定”。在太陽活動低年時，空間天氣較為平靜。而在太陽活動高年時，太陽風暴則頻繁發生、形式多樣，如耀斑、日冕物質拋射、日珥爆發等。“太陽上的耀斑像是突如其來的龍卷風，而CME（日冕物質噴發）則像臺風，這些，都如同外層空間的‘狂風暴雨’”，陳安芹解釋道。

空間天氣看似遙遠亦或不相干，其實它無所不在、充斥在我們生活的方方面面。比如，當太陽風暴爆發時，輪船、汽車，甚至智能手機都會受到干擾，出現定位不準等問題。

事實上，太陽風暴通常對地球造成三輪沖擊：

第一輪：太陽耀斑爆發時，其發出的電磁波以光速傳向地球，八分半鐘即可抵達地球，引起電離層騷擾，影響高頻無線電通信、導航定位等；

第二輪：其攜帶的高能質子在幾十分鐘至十幾個小時后到達地球，引起電離層D區吸收，影響航空通信、衛星運行等；

第三輪：其伴隨的日冕物質拋射，則在約三天后到達地球，引起地磁暴、磁層亞暴，并且可能影響低軌衛星的軌道高度、電網的安全運行以及地質勘探等。

除了會影響我們的日常生活，超級太陽風暴對高科技設備系統的影響更大。國家空間天氣監測預警中心首席預報員宋喬說，如2000年7月14日的“巴士底日事件”致使多顆人造衛星出現圖像質量下降、數據丟失、軌道下降等情況 。其中，受影響最嚴重的日本ASCA衛星，最終墜入地球大氣層燒毀。

“太空漫步”會遇到哪些空間天氣？

國家衛星氣象中心空間天氣技術研發室正高級工程師薛炳森表示，中國空間站位于400公里左右高度的軌道，要經歷嚴酷的空間環境，比如高真空、高能粒子輻射、從100℃到100℃的高低溫交變等。另外，還可能遭遇對空間站威脅最大的空間碎片。而隨著近地衛星的迅速擴容，空間站的軌道也變得擁擠起來，特別是星鏈組網衛星的發射，將會有數萬顆衛星穿越空間站軌道，殘留大量碎片，使航天員所駐扎的空間站環境變得更加兇險。

長期駐留空間站的航天員還需關注輻射環境，在近地軌道高度，巴西上空常年存在穩定的高能粒子通量異常區，空間站每天都會多次穿越該區域，是伴隨空間站全生命周期的一種惡劣境；在太陽活動高年，不定期發生的太陽質子事件也會引起空間站輻射環境的惡化。

對于這些高能粒子，空間站的“外墻”可以將其阻擋，但在超級太陽質子事件爆發期，如1989年7月和2003年11月的質子事件，導致國際空間站輻射嚴重超標，航天員被迫進入返回艙躲避。

神舟十四號航天員在艙外操作圖片來源：新華社

“雖然空間站對于空間碎片和輻射環境有足夠的防護條件和嚴謹的應急預案，但脫離了空間站防護層的保護時就變得相當危險。對于航天員來說，航天服雖然可以起到保護作用，但空間中存在數量較多且很難被發現的小碎片，一旦擊中航天服，后果不堪設想。”薛炳森說，“這，就需要準確的空間天氣預報。”

空間天氣預報為航天員系好“安全帶”

“空間天氣預報主要目的是預測預報空間天氣事件及其影響。”陳安芹說，預報員會綜合分析監測數據，結合統計模型和數值模擬結果等做出預報，經與首席預報員會商并得出預報結論后，制作各種預報產品。

當前，空間天氣預報產品種類豐富，包括日報、周報、月報、年報等。例如，日報主要總結過去24小時的空間天氣情況，并預報未來1至3天的空間天氣狀態，包括太陽活動水平、地磁活動水平以及電離層狀態等。“當有大耀斑、強地磁暴等重要空間天氣事件發生時，還會發布空間天氣預警、現報等產品，讓公眾和專業用戶及時掌握太陽活動的最新動向。”

當下，空間天氣預報正從經驗預報時代邁向數值預報時代。宋喬表示，以觀測數據和科學理論為基礎，通過太陽表面物理參數預測耀斑發生的概率、通過數值模型計算太陽風參數等方法在不斷發展，預報水平穩步提高，為我國衛星發射和載人航天，地面技術系統、導航、通信等保駕護航。

航天員的出艙活動時間會經過嚴密計算與安排。“準確的空間天氣預報，將為航天員‘太空漫步’保駕護航，不會讓其遭遇太陽質子事件。”薛炳森說，“地面系統時刻監視著太陽高能粒子的變化，一旦突破閾值就會緊急命令航天員返回艙內。”

北京時間2023年7月20日，神舟十六號航天員出艙活動取得圓滿成功圖片來源：中國載人航天

國家衛星氣象中心（國家空間天氣監測預警中心）作為國家級空間天氣業務單位，為航天器發射及在軌運行提供空間天氣預報及影響評估服務，為載人航天任務提供出艙時間窗口預報，避免航天員出艙活動時剛好遭遇嚴重的太陽高能粒子輻射。

預報員根據太陽表面黑子的形態和演化特征，能夠提前1至3天知曉太陽質子事件的爆發和強度，航天地面系統可以根據預報結果安排航天員出艙，提供更高的出艙安全系數；如果預測到超強太陽質子事件，氣象部門則直接向航天系統發出警報，使航天員進入屏蔽艙；強地磁擾動會引起空間站軌道上大氣密度的大幅升高，預報員預測到強地磁事件時，將會提請航天部門提前準備應對軌道高度的突然下降。

另外，國家衛星氣象中心專門開發了空間碎片碰撞預警系統，能夠實時預報太空中高速飛行的碎片位置，為包括風云衛星在內的航天器安全運行提供保障。

2008年，神舟七號載人飛船指令長翟志剛成為我國第一位太空出艙的航天員，國家衛星氣象中心結合空間天氣環境準確預報出艙窗口時間；2011年，神舟八號飛船與天宮一號實驗艙首次進行太空交會對接，衛星中心根據對接軌道環境，對窗口期前后時間段的空間天氣做出準確研判，為任務的順利完成提供了重要保障。

作者：林禹彤唐淼于桐

來源： 中國氣象