空间天气 – 星明天文台

作者|周已皓

审核|董晨晖

编辑|刘蜜

浩淼的宇宙空间蕴含着数不清的宝藏和危险。在一些高纬度的国家和地区，通常能看见绚丽的极光在夜空中起舞，这些缎带般波动的美丽光线包括了从绿色到红色，从粉色到紫色的多种色彩。

极光|图源：wikipedia

我们看来美丽多彩的极光在古人眼中却是不详的征兆。早期，欧洲的爱斯基摩人将北极光与死亡联系在一起，美洲的印第安人传说它与战争有关，而我们的祖先把它看作恶劣天气降临的象征。实际上，极光就是人类用肉眼最容易直接观测到的空间天气现象之一。

等离子体层和极光|图源：中国科学院地质与地球物理研究所

20 世纪物理学的飞速发展为人类对极光的认识提供了全面的基础。随着人们将极光与太阳扰动联系起来，以及查普曼和费拉罗磁暴理论的出现，极光不再被披上传说中的神秘光环，人们逐渐认识到，太阳不断地向行星际空间“吹”去带电粒子，这些带电粒子与地球磁场相互作用后会产生沿磁力线的平行电场。带电粒子在这一电场的作用下被加速并沿着磁力线运动直至地球大气，与大气中的分子或原子相撞导致原子的电子发生跃迁，释放出不同频率的光子，从而形成了我们肉眼看到的极光。极光虽然美丽，但是强烈极光所昭示的亚暴和磁暴对地面系统和航天器均有不良影响。

磁层结构|图源：《空间天气》

人们把空间环境的这种短期变化或突发性事件形象地称为空间天气。空间天气（Space Weather）一词出现于上世纪80年代初、流行于上世纪90年代。空间天气被定义为太阳上出现的耀斑和日冕物质的抛射等短时间尺度的剧烈活动，会给地球磁层、电离层和中高层大气以及卫星运行和安全、人类健康带来严重影响和危害。

不稳定的太阳耀斑|图源：NASA/SDO.2022.10.2

虽然“空间天气”一词提出的较晚，但是人类对于空间天气的研究很早就开始了。1600 年，英国科学家吉尔伯特在书中曾经描述到，中世纪欧洲航海家曾用天然磁石作磁罗盘导航仪，发现有时候磁石的方向会偏离磁北极。1840 年记录到空间天气第一次在不同地区不同时段影响到电报业务。1859 年的剧烈的太阳风暴中断了全球的电报业务，英国天文学家卡林顿把这次中断与一天前观测到的太阳耀斑以及与电报中断同时发生的磁暴联系起来。

后来，挪威科学家克里斯蒂安·伯克兰通过实验提出了极光产生的物理原理，并推测出太阳风的存在。随着无线电在商业和军事领域的应用，人们注意到无线电通讯或是雷达有时噪声极其严重，如1942 年一个大太阳耀斑事件期间雷达受到的严重干扰。

Mariner 2 卫星|图源：National Air And Space Museum

随着人造地球卫星、洲际弹道导弹、宇宙飞船、空间站发射升空等空间活动的不断增加，空间环境的探测范围逐步从电离层、中高层大气，扩大到了磁层，乃至整个日地空间。1958年，Explorer I 卫星发现了范艾伦带，即辐射粒子被地球磁场束缚的区域。1959 年和1961 年，苏联Luna1 和美国Mariner 2 卫星分别直接观察到了太阳风。

空间天气对日常生活的影响|图源：sansa.org.za

随着各类卫星广泛用于各种各样的社会活动之中以及人类对电力、航空器的越发依赖，空间天气对人类的影响也愈发明显。因此，对太阳活动的观测、对空间天气预报也愈发显得重要起来。目前，人类正在尝试建立多波段、多方面的空间天气预警系统，并尝试使用建模方法对空间天气进行模拟，力争在大规模太阳活动到达地球前将损失降到最小。

✦参考文献

[1]侯娜,余明明.空间天气对国家安全的影响研究[J].国防科技,2018,39(03):64-70.DOI:10.13943/j.issn1671-4547.2018.03.11.

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[3]吕建永,杨亚芬,赵明现.迈向太空——空间天气学[J].现代物理知识,2013,25(05):21-26.DOI:10.13405/j.cnki.xdwz.2013.05.019.

[4]冯学尚.空间天气学——21世纪的新兴学科[J].世界科技研究与发展,2000(02):50-53.DOI:10.16507/j.issn.1006-6055.2000.02.012.

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