监测、预报空间天气，人类在行动

文/杜危

▲在不同波段对太阳进行观测所获取的拼合图像

▲太阳活动具有11 年的周期性变化

空间天气监测的特点

随着航天技术发展，人类社会对各类人造卫星依赖程度显著增加。这也意味着我们受空间天气危害的威胁也在增加。研究空间天气的最终目的是能够预测太阳和近地空间中可能产生对社会安定和经济发展产生有害影响的事件，未雨绸缪地在足够准确且足够充分的情况下预防并采取相应的措施。

美国于1970 年成立了美国国家海洋和大气管理局（NOAA），负责对空间天气进行监测与预报，并在1994 年11 月正式发表了“美国国家空间天气战略计划”。我国也十分重视发展空间天气学有关研究，2002 年6 月1 日中央机构编制委员会批准中国气象局成立国家空间天气监测预警中心，承担我国空间天气监测预警、预报发布和应用服务的职责。在2021 年11 月，中俄联合体全球空间天气中心在北京揭牌，大大提升了中国空间天气服务的国际影响力。

与人们生活息息相关的天气预报更多局限在20 千米以下的对流层内，预报的范围也更多细分到市级或区级行政单位。空间天气预报与之相比有较大差异，主要体现在监测时空尺度、监测参数、监测相关性等方面。

第一，空间天气的监测空间、时间范围均很大，其变化程度也很大。从地表60 千米的大气层直到太阳表面都是空间天气的监测空间，要同时对太阳及太阳风、地球磁层、地球电离层、地球热层等系统进行监测。另外，时间尺度也是空间天气监测与预报需要考虑的，从太阳几分钟内的剧烈变化到长达11 年的周期性变化均要考虑到。

▲发射前的SOHO 卫星正在地面测试

▲SDO 天文台示意图

第二，空间天气的监测参数多。空间天气预报水平主要取决于空间天气监测能力及对物理规律的认知水平，而这就反映在对物理参数的监测水平上。这些参数包括太阳黑子数、太阳耀斑、日冕物质抛射、多波段电磁辐射等太阳活动参数；也包括太阳风密度、太阳风速度、行星际磁场大小、磁场方向等行星际活动参数；还包括地球磁层带电粒子能量、磁场分布、电离层电子浓度、电离层临界频率、电离层扰动和闪烁、电子通量增强事件、粒子沉降、辐射带变化、中高层大气密度和温度、风速和成分等近地磁层、电离层、中高层大气活动参数。如此多的监测参数意味着所需卫星的种类和数量要比普通气象卫星多得多，地面观测的内容和方法也与普通气象观测大相径庭。

第三，空间天气监测现象的相关性强。太阳日冕物质抛射、行星际风暴、地磁暴、电离层暴、中高层大气热层暴和宇宙射线暴等都存在着很强的时序性与因果相关性。各种不同的空间天气事件的源头可能相同，只是同一事件在不同时空区域内有不同表现。厘清各种独立空间天气现象之间的因果关系对空间天气预报有重要意义。

太阳监测

空间天气问题可以划归为两大方面：一是太阳风暴的形成、传播与演化，二是太阳风吹过地球时所引起的近地空间环境的变化。因此，对空间环境的监测方式大体可以划分成太阳监测与地球监测两大方面。太阳是几乎所有空间天气事件的源头，因此对太阳的监测至关重要。

监测太阳的卫星众多，它们各司其职，共同使人类对太阳的认识更加完善，在此选择几个代表性探测器进行介绍。1995 年美国和欧洲共同发射了太阳与日球层天文台（SOHO），对太阳的日冕结构、日冕成分、日冕演化方式、太阳风的成分、太阳光球层的磁场等参数进行了全面的监测与测量，它能对太阳爆发性活动提前30多分钟向地球发出警报，为人类作出了突出贡献。

▲2010 年9 月15 日由SDO 天文台在极紫外光下拍摄的太阳喷发的日珥变化过程

▲2012 年8 月31 日SDO 天文台拍摄的高清日冕物质抛射图像

▲2006年12月13日由Hinode卫星的太阳光学望远镜拍摄的可见光下太阳黑子的颗粒状结构，其直径约2 万千米

▲风云三号E 气象卫星于2022 年2 月2 日22 点22 分拍摄的太阳

2010 年美国发射了功能强大的太阳动力学天文台（SDO）。SDO天文台的目标是通过研究小尺度空间和时间以及不同波长下的太阳大气，以及太阳磁场是如何产生和变化的，来解答太阳的能量是如何以太阳风、高能粒子和太阳辐照度变化的形式转换并释放到日光层和地球空间中，并对地球和近地空间产生影响的。

2015 年美国发射的深空气候观测站（DSCOVR），是NOAA 的空间天气、空间气候和地球观测卫星。DSCOVR 观测站运行于日地拉格朗日L1 点，在此处可以同时对太阳和地球进行连续、稳定的观测。它的任务重心是对太阳的日冕物质抛射进行早期预警，同时提供地球观测和气候监测服务。

日本自上世纪90 年代起连续发射了Hinotori、Yohkoh 和Hinode 三 颗太阳探测卫星，对太阳耀斑、日冕、磁场进行了系统性检测与研究。日本凭借这三颗卫星，在对太阳探测，特别是X 射线波段的探测上占有了一席之地。

▲风云四号卫星

我国太阳观测也实现了与国际接轨。风云二号、风云三号和风云四号等气象卫星不仅承担常规天气预报工作，它们还携带了8 类空间天气监测设备，包括太阳紫外与软X 射线成像仪、太阳高能粒子监测仪、太阳紫外流量监测仪、软X 射线流量监测仪、硬X 射线流量监测仪等重要太阳监测设备，具有全天候、多层次对太阳监测的能力。

我国在2021 年10 月14 日发射的羲和号卫星，是中国首颗太阳探测科学技术试验卫星，使用太阳空间望远镜实现国际首次太阳Hα 波段光谱成像的空间探测。2022 年下半年，我国将会发射先进天基太阳天文台（ASO-S），其科学目标简称为“一磁两暴”，即对太阳磁场、耀斑爆发和日冕物质抛射进行全方位探测，对三者起源及三者间可能存在的因果关系进行研究，兼具空间天气预警能力。

▲工程师在检查IMP-A 卫星

▲由IMP-A 卫星数据绘制的地球磁场结构

近地监测

对人类来说，近地空间发生的各种空间天气现象是更加直接的威胁来源。因此除了对太阳的监测之外，对地球周围电离层、热层、磁层等的监测也同样不可忽略。

美国从1963 年到1973 年连续发射了10 颗星际监测平台卫星(IMP)，对太阳风与地球磁层环境之间的相互影响进行了长期观测。最后一颗卫星的任务一直进行到2006 年，持续了43 年之久，是地球磁层研究的先驱者。它见证了整个美苏太空争霸过程，充满了传奇色彩。

美国的全球空间科学计划太阳风卫星（Wind）于1994 年11 月1 日从卡纳维拉尔角空军基地发射成功，是美国宇航局全球地球空间科学计划的第一颗卫星。它至今仍在正常运行，若不考虑零件老化，其富足的燃料甚至可供其正常运行到2070 年。它被用于研究太阳风和地球磁层中的无线电波和等离子体，了解日地等离子体的行为，以预测地球大气将如何响应太阳风条件的变化。全球空间科学计划极地卫星（Polar）是全球空间科学计划太阳风卫星的姊妹星，旨在研究地球极地的磁层和极光，可以对全球极光进行成像。它于1996 年2 月发射，工作到2008 年4 月终止任务。其在任务全过程中收集了极光的多波长影像，测量了等离子体在极地磁层、等离子体在电离层的流动现象，以及粒子在电离层和高层大气中的沉积现象。

▲正在地面测试的全球空间科学计划太阳风卫星

欧空局和美国还在2000 年开始合作进行了由4 颗卫星组成的集群-Ⅱ卫星系统(Cluster Ⅱ)，目前任务仍在进行。这些卫星围绕地球组成一个四面体结构，对地球磁层进行三维测量，首次收集有关太阳风如何与磁层相互作用并影响近地空间及其大气的三维信息。

中国国家航天局在2003 年与欧空局联合开展的探索者双星任务（Double Star），是我国首次发射地球磁层研究卫星。两颗卫星分别是赤道卫星与极地卫星，对地球磁层中的各种物理变化进行了研究。

除了对磁层进行研究外，美国在2001 年发射了人类第一颗直接探测大气中间层、热层和电离层的卫星：热层·电离层·中间层能量学和动力学卫星（TIMED）。它的探测范围是地表60 到180 千米之间，是太阳辐射能量与地球大气相互作用后沉积的区域，极大推进了人类对这一片区域的认知。

▲中国国家航天局-欧空局双星任务徽章

欧空局和美国的集群Ⅱ任务示意图

我国的风云系列气象卫星除了承担对太阳的观测、对常规天气的预报外，也携带了研究地球高层大气的有关仪器，比如磁场监测仪、磁层内高能粒子监测仪等，可以说对空间天气具有全方位监测能力。

值得一提的是，人工智能等新兴技术目前也广泛应用于地磁预报等研究方向。借助人工智能技术，可以更加快速、准确地对各种空间天气现象进行预测，为空间天气预报能力注入了全新的动力。

▲抚仙湖观测站主力观测设备：一米真空红外太阳望远镜

地面监测

在地面可以对太阳进行磁场观测、光学观测和射电观测。地面的太阳观测站经常用普通的光学望远镜对太阳黑子进行观测，每天测量日面上的太阳黑子数、黑子面积、位置、运动和演化等等。使用单色光望远镜可以不间断对太阳耀斑以及太阳色球物质的喷发现象进行实时观测，及时将有关信息提供给空间天气服务与预报组织。用太阳磁场望远镜可以获得日面磁场分布和变化的形态，有些海拔较高的天文台还拥有日冕仪，可以监测日冕的实时变化。比如我国云南天文台抚仙湖观测站拥有一米真空红外太阳望远镜、红外太阳爆发监测望远镜和太阳低频射电频谱仪，可以对太阳进行高分辨率成像和光谱观测，包括测量太阳磁场的精细结构、高时空分辨率的演化过程，达到了国际先进水平。

▲子午工程示意图

由中国科学院牵头，我国还建设了规模庞大的子午工程。这个工程的目标是在我国东经120 度子午线上，从漠河经北京、武汉、海南，延伸到南极中山站，建立一条空间环境综合监测链，为载人航天等重大航天项目提供空间天气保障。

这一工程还进行了扩展，除南北方向的子午线外，还建立起一条东起上海，经武汉、成都，西至拉萨的沿北纬30°线的东西支链，形成了一个链网结合的完整监测网络。工程综合运用地磁、无线电、光学和探空火箭等多种手段，连续监测地球表面20 千米到几百千米的中高层大气、电离层和磁层以及行星际空间的环境参数，成为世界仅有的、跨度最长的、功能最齐全的、综合性最高的子午监测链，大大提升了中国在空间环境的地基监测方面的国际影响力。

空间天气预报的准确性、可靠性和及时性十分重要，这对减少或避免空间天气事件对人类社会的危害有直接关系。如今人类对太阳、近地空间环境、空间天气的认知还是不完善、不充分的，需要一代代研究者、一颗颗卫星前赴后继地努力。有朝一日人类面对重大空间天气威胁时，一定可以做到“任尔东西南北风”般泰然自若。