空间天气灾害：了解天文学教程-上册

类似于日常的气象天气，空间天气也有好、差和恶劣之分。好的指太阳、行星际空间、磁层、电离层、高层大气处于平静状态，有利于运载火箭发射和卫星正常运行；差的指上述区域具有不同程度的扰动；而恶劣的就是各种“空间暴”，对人类技术系统有非常严重的影响，一般称为空间天气灾害，可使卫星提前失效乃至陨落，通信中断，导航、跟踪失误，电力系统损坏，危害人类健康，如图8-47所示。

下面列举几次大的空间天气灾害事件例子。

图8-47　空间天气的危害

1—空间天气事件威胁航天器安全；2—电离层扰动造成电波衰减、通信中断；3—影响导航和定位系统、GPS等卫星定位误差，甚至无法工作；4—太阳活动影响地球的天气和气候；5—地磁变化影响生物活动，造成重大疾病；6—高能粒子辐射危及宇航员、飞行员和乘客安全；7—快速磁扰感生强电流，导致输变电故障，缩短石油、天然气管道和光缆寿命、影响数据通信；8—影响军事活动和国家安全；9—电磁场变化影响地下勘探

1989年3月6—19日，大耀斑和强磁暴造成SMM等卫星的轨道下降，通信卫星发生异常，全球无线电通信异常，轮船、飞机的导航系统失灵，美国和加拿大北部电网烧毁。这是历史上罕见的空间天气灾害事件，引起国际社会的震惊。1997年1月6—11日的太阳爆发事件使美国的同步轨道卫星失效，损失高达7.12亿美元。2000年7月14日发生“巴士底日”事件，大耀斑和日冕物质抛射引起超强的地磁暴和电离层强烈干扰，短波通信中断，多颗卫星严重受损。2003年10月下旬到11月中旬，一系列太阳爆发事件造成卫星、通信、导航、地面电力设备破坏，社会经济损失严重，我国北方短波通信受严重干扰。2005年5月15日发生因大耀斑引起的地磁暴，引发了电力输送及移动通信中断，江苏和广东的变电站都发现GIC（地磁感应电流），我国空间天气监测预警中心在14日及时发布了预报，部分电力部门采取了措施。

人们广为熟悉的典型空间天气灾害事件是太阳暴和地球空间暴。太阳暴也称太阳风暴，是太阳活动高峰期所产生的剧烈爆发活动；爆发时释放大量带电粒子流，严重影响地球的空间环境，破坏臭氧层，干扰无线通信，影响地球生物，对人体健康也有一定的危害。地球空间暴是由于太阳爆发或者地球空间自身存储的能量的剧烈释放，使得地球空间的场和粒子处于剧烈的扰动状态，包括磁层亚暴（伴随着极光突然增强的磁层能量释放过程）、磁暴（全球尺度地球磁场的剧烈扰动）、磁层粒子暴（磁层粒子突然增强）、电离层暴（电离层等离子体浓度突然增强或减少）和热层暴（高空大气密度和温度突然扰动）等。太阳暴和地球空间暴是最主要的天灾，也是产生航天器故障、威胁航天员安全、导致通信中断和影响导航与定位精度的主要原因。

1）空间灾害原因

空间灾害性天气变化是如何发生的？太阳的远紫外和X射线等辐射电离地球高层大气分子而形成电离层。电离层以上受地球磁场控制的区域为地球磁层。在太阳风的作用下地球磁层整体变形，向、背太阳两侧分别被压缩和拉长，磁层顶隔开磁层和太阳风。这一空间领域已成为人类活动的新环境，各种应用卫星的轨道高度从几百千米到两三万千米，而多个探测器飞到其他行星附近；许多地面技术系统利用的空间环境或受到它的影响。(www.xing528.com)

太阳活动性有约11年周期，太阳活动极大年期间太阳爆发事件频发，也剧烈得多。太阳喷发的物质需要一到三天到达地球，高能质子只需要几个小时，而X射线和极紫外辐射8分钟多即到达地球，它们与地球的高层大气及磁场相互作用，强烈影响近地空间环境，造成空间灾害事件。

2）太阳活动对地球气候和人类的影响

早在19世纪初人们就开始探讨太阳活动与天气和气候的关系。威廉·赫歇耳注意到太阳黑子少时雨量就少。后来，人们对很多地方的降水量和（太阳黑子数代表的）太阳活动变化做了相关统计，结果有的地方是正相关，有的地方却为负相关甚至没有关系，实际关系很复杂。地球上的洪涝、干旱、平均气温变化在一定程度上与空间天气相关。对一定地域来说，这类相关在预报灾害方面还是相当有意义的因素。例如，研究表明，我国水旱寒暖的年份有明显的11年周期，多数发生在太阳黑子极大、极小年附近，峰年附近对应于大范围干旱，谷年附近对应于大范围多雨期，冷暖期转变年份都在太阳活动最强年或其后一二年。

太阳活动增强的紫外辐射和粒子辐射是破坏地球大气臭氧层、造成臭氧洞的原因之一。人类活动也是破坏臭氧层不可忽视的因素，因此，国际上要限制使用氟里昂及核爆炸产生的NO破坏臭氧层。

我国古代就有天人感应的观念，去除迷信的糟粕，从科学上看，人类肯定会受宇宙大环境变化的直接或间接影响，提取过去的有用经验，统计研究太阳活动对人类的各种影响还是有一定意义的。影响人类健康的心脑血管疾病、皮肤癌和社会突发事件与空间天气的关系，也正成为众多科学家关注的热点。

有些统计研究发现，交通事故与太阳活动（黑子数）有明显的正相关性。研究表明，人的神经系统对太阳活动变化很敏感，当太阳活动增强时，神经对信号反应迟钝和出错率明显增加；神经对地磁变化也十分敏感，引起血压增高，心情烦躁，事故增加；精神病人增多；心血管病死亡率增加。科学家还发现，流感和传染病的发病率与黑子数相关，当然还需深入探讨各种影响的机理。

借鉴美国国家空间天气预报中心（Space Weather Prediction Center，SWPC）的成功经验，我国的空间天气监测预警中心于2004年7月1日正式启动了其业务系统，广大公众可从其网站（http：／／www.nsmc.org.cn）上了解到有关信息，其中有空间天气的数据、有关的分析、空间天气的趋势、空间恶劣天气的警报等。例如，空间天气一次预报说，北京时间2014年9月12—13日地磁发生强烈扰动，13日05：00时达到大地磁暴水平，地磁Kp指数最大为7，达到橙色警报级别。此次地磁暴事件是由9月9日、11日AR2158爆发活动伴随的日冕物质抛射事件引起的。目前AR2158是日面上最活跃的活动区，未来一段时间仍有可能继续产生爆发活动。

总括地说，太阳的电磁辐射直接影响电离层、热层及大气环境，它们又影响气候和生物；太阳的磁活动、宇宙线、太阳风等离子体和磁场通过复杂的磁层—电离层—大气耦合过程而影响大气过程和地球环境。太阳耀斑是最剧烈的太阳活动，引起更重要的地球物理现象。耀斑的电磁辐射到达地球很快，而粒子辐射到达地球较慢，它们造成的地球效应也先后不同，因此，观测耀斑的前兆、先期地球效应就可以预报后随的地球效应。