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气象控:你不知道的空间天气预报

图解气象 你是第426个围观者 0条评论 供稿者:

空间天气是什么?对地球有何影响?

天气,顾名思义,是建立在大气的基础上的,宇宙空间没有大气,所以也谈不上天气。我们所说的空间天气并非实质意义上的天气,而是指由于太阳活动对地球以及近地区域所造成的影响。

针对空间天气的预报就是空间天气预报,它的主要内容是对太阳活动和其近地区域造成的影响进行预报。

目前,世界上开展空间天气服务的国家并不多,但是,开展得比较成熟的国家,关注的人不少。比如美国国家海洋和大气管理局(NOAA)就有完整的空间天气预报中心(SWPC)进行相关领域预报和服务,该中心网页每天的访问量接近一百万次。

什么内容这么吸引人?空间天气预报到底是做什么的?

让我们打开脑洞,将视野扩大到浩瀚的宇宙空间,以距离地球地面30公里的高空为起点,一直向外,直到距离地球一亿五千万公里以外的太阳,这中间所包含的空间里面所具有的“天气”都是空间天气,与传统气象概念不同的是,空间天气专指由于太阳活动对地球以及近地区域所造成的影响。

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空间天气概念示意图 来源:国家空间天气监测预警中心

不难看出,空间天气预报是围绕太阳展开的,如果太阳表面爆发了一次“日冕物质抛射”活动,数十亿吨高能粒子以每秒几百甚至几千公里的速度向外喷发,随着不断地向外传播,所影响的区域逐渐变成一个半球。

这些高能粒子在对外传播的过程中,就会对地球的磁层、电离层、大气层等产生影响了。那么具体它会怎么影响,就是我们空间天气预报需要解决的问题。

当太阳活动产生的高能粒子在星际旅行,并与地球的首次邂逅时,它们首先扰乱的是地球的磁场。在经过一到两天的星际之旅后,高能粒子首先与地球的磁层碰面了,地球磁场在这股巨大能量的冲击下努力保持原有形态,虽然如此,也还是被这股力量无情的拉长,这时就会发生地磁暴,对于人类来说,我们感受不到地磁暴的影响,但是对于能够感觉到地球磁场的鸟类来说就遭殃了。因为地磁暴的发生,鸟类的导航系统会受到影响,比如信鸽就会出现成千上万只一起迷失的现象,驯养信鸽的人会因此蒙受巨大损失。

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空间天气对地球的影响 来源:NOAA

紧接着,日冕物质抛射产生的高能粒子会影响到地球的电离层,处在这一层中的电子被太阳高能粒子吓得到处逃窜,这一秒还扎墩儿的躲在一起,下一秒又四散奔逃了,电离层也因此变得坑洼不平、薄厚不一。全球定位系统的信号传输过程会因此发生剧烈的抖动,严重时会影响定位精度甚至是完全罢工。

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太阳爆发的高能粒子影响地球的过程(示意图)来源:NASA

最后,来自太阳的高能粒子与地球生物的最后一层屏障——大气层相遇了。稠密的大气层中的气体原子与高能粒子发生着激烈的碰撞,使得它们的能量和速度都得到极大的衰减,但是碰撞的同时却带来了新的问题,这就是“次级辐射”,比如说小体积却具有很高速度和质量的中子,它们可以轻松的穿透飞机座舱,对乘客和机组成员造成较地面高十几甚至是几百倍的辐射计量。

由此可见,空间天气对我们地球的影响不小,同样需要精准的预报。

空间天气预报可以从哪里获取?

我国开展空间天气预报已经有20年的历史了。1996年,中科院空间科学中心首次正式对外发布空间天气预报,专门面向航天领域。为了更好的做好空间天气预报业务,2004年7月1日,中国气象局国家空间天气监测预警中心业务正式启动,2015年11月27日,中国气象局国家空间天气预报台成立。

空间天气的日常预报内容包含太阳耀斑与质子事件概率、地磁暴概率和电离层闪烁活动强度。除了这些常规的预报之外,空间天气预报台还有专门的面向广大信鸽用户的“信鸽飞行指数”预报,以及在旅游季节的“极光30天预报”。未来还会推出各种各样服务老百姓的空间天气预报。

由于空间天气预报的专业性和特殊性,适用的领域不同,在大众化的媒体上展示较少,预报结果通常发布在专业的网站和我们自己的新媒体上。

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想了解空间天气怎么样,可以访问国家空间天气监测预警中心;除此之外,我们还有微博微信平台作为补充。还没有体验过空间天气预报服务的可以通过访问官方网站和关注微博微信公众号感受一下。

与服务老百姓的空间预报相比,航天事业更加需要空间预报来提供保障服务。

空间天气预报与航天事业发展息息相关

随着科学技术水平的发展,有关部门逐渐认识到空间天气在太空时代的重要性,美国有报告称,40%的航天器故障与空间天气有关。对于宇航员来说,空间天气的影响与生命息息相关。如果宇航员出仓时,正巧遇到宇宙中的高能物质,很可能在短时间内造成辐射计量超标危及到宇航员的生命。所以说,宇航员在天上执行任务可以不看中央气象台的天气预报,但是空间天气预报是必须参考的。

1998年4月底到5月发生多次由太阳活动引起的空间天气事件,造成多颗人造卫星故障,5月1日德国科学卫星Equator-S中央处理器失效,5月6日Polar飞船丢失6个小时的数据,5月19日银河IV号通讯卫星失效,造成美国80%的寻呼业务暂停使用,而通讯中断则使得金融交易陷入混乱。

2003年,超强的太阳耀斑带来“万圣节风暴”事件,致使全球多个国家包括美国、欧洲、日本在内的卫星出现严重故障,有的进入安全模式停止工作,有的干脆被高能粒子彻底毁坏,国际空间站的宇航员被迫启动防辐射保护仓才得以安全度过。而我国“神舟”五号飞船也出现飞行轨道明显下降而紧急提升轨道的情况。

在上世纪我国气象卫星事业刚刚起步的时候,空间天气曾给风云一号A\B两颗卫星带来很大的麻烦。我国首颗气象卫星风云一号发生升空后,工作了很短的时间就出现故障,无法控制卫星姿态,最终使得造价高昂的卫星失去应用价值。而这一问题直到若干年后也一直困扰着科研人员。

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空间天气对宇宙飞行器的影响示意图 来源:solarstorms网站

2016年,我国第二代气象卫星风云四号即将发射升空,给空间天气预报提供了新的舞台。

风云四号上搭载了空间天气效应探测仪器,主要是监视卫星不同部分的带电情况,所谓卫星的带电现象就如同我们冬天常碰到的衣服放电的情况,这种事件到了天上,轻则卫星被“麻”一下,出现短暂抽筋;重则击穿电路,导致卫星挂掉。这些设备的上星,能连续监视电压变化,提醒操作人员及时处置。尽管这样,对风云四号环境的预报也是必不可少的,这就像北京市天气预报和“鸟巢”天气预报的比较,空间天气预报的精细化的确是一项新的挑战。

未来风云四号系列的后续星还会装上太阳望远镜,让我国的太阳观测再也不受黑夜和阴雨的困扰,使得空间天气预报的基础条件赶上美国和欧洲,真正利用纯国产数据预报空间天气。

对于现在很热门的登陆火星计划来说,对空间天气的了解是该计划成功的关键。登陆火星对于机器来说已经实现了,但是这次是要把人送上去,难度还是很大的,单单是从地球到达火星单程时长可能就要六个月到一年的时间,这期间宇航员面对宇宙环境如何生存?事先的计划,旅行中的关照都是空间天气预报的范畴,不过,这种预报恐怕要称为“空间气候”预报了。

今天就和大家聊到这里,怎么?不过瘾?没关系,后面我们还会陆续推出几期与空间天气相关的气象控,欢迎热爱宇宙探索,追求尖端科技的你!(本文作者:韩大洋 薛炳森 叶海英)

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这家伙很懒,什么都没写!

—— 云云

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