太空裡也有天氣?地球外的宇航員也需要看“天氣預報”嗎?
2021年01月23日09:23

  來源:數字北京科學中心

  颳風、下雨、陰天、晴天……生活在地面上的我們已經習慣了天氣的變化。

  如果你對氣象學有所瞭解,就會知道地球上的天氣主要受到了太陽的影響,正是太陽的能量驅動著地球上的水與空氣,形成了豐富的天氣現象。

  那麼問題來了,遠在“九霄之外”,接近真空的宇宙空間里會有“天氣”存在嗎?沒有大氣哪裡來的天氣呢?

  太陽:我的勢力遍佈太陽系

  太陽,一顆熾熱的天體,它散發出的光芒“供養”了地球上的萬物生靈,它的熱量驅動著地球上的風起雲湧。

  但你知道嗎?地球僅僅吸收了太陽釋放總能量的二十億分之一,從太陽輻射出的光、帶電粒子幾乎可以遍及整個太陽系,這些物質的變化湧動就形成了“太空中的天氣”,也就是我們今天要介紹的空間天氣。

  空間天氣是指因太陽活動而產生的空間環境的變化。作為生活在地球上的人類,我們更關注地球附近的空間環境是怎麼受太陽活動改變的,當太陽活動劇烈時,就可能對地球以及人類活動造成影響。

  接下來,就讓我們見識見識太陽的“招數”。

  太陽:改變空間天氣我有“三招”

  太陽活動劇烈時,往往會出現三個現象,它們分別是太陽耀斑、高能帶電粒子流和日冕物質拋射。

2011年9月5日至9月9日太陽活動(極紫外線);在極紫外線波段觀測太陽即可觀察到太陽活動,又能獲得太陽的磁場信息  來源|北京科學中心小球大世界特色展區
2011年9月5日至9月9日太陽活動(極紫外線);在極紫外線波段觀測太陽即可觀察到太陽活動,又能獲得太陽的磁場信息 來源|北京科學中心小球大世界特色展區

  >>>>太陽耀斑

  太陽耀斑是指太陽某個區域發出的光突然變強,主要釋放光能。如果你在這時用儀器觀測太陽,就會發現這裏有個明亮的“十字形”光芒。

  太陽耀斑爆發出的電磁波頻率範圍極廣,從伽馬射線到無線電波都包含在內。當太陽耀斑發生的區域正好朝向地球時,就會有強度極高的電磁波,以全宇宙最快的速度(光速,299792458m/s),向地球衝來。

太陽耀斑,不同顏色表示不同頻率下觀測 來源|國家空間天氣監測預警中心
太陽耀斑,不同顏色表示不同頻率下觀測 來源|國家空間天氣監測預警中心

  由於太陽耀斑產生的光能以光速傳播,因此預測太陽耀斑並不是很容易,當你在地球附近觀測到它發生時,它的能量就已經傳播到地球周圍的空間了。

  可能有小夥伴會疑惑,光能造成什麼危害呢?它對地球空間環境最直接的影響是干擾電離層。

  電離層在大氣層的外層,這裏的大氣受太陽輻射影響處於部分電離的狀態,存在著大量的等離子體。

  這樣的組成使得電離層可以反射一定頻率範圍的電磁波(短波),而更高頻段的電磁波卻可以穿透電離層。

來源|abbao.cn
來源|abbao.cn

  借助這個特性,人們發明了“天波通信”,人們將短波信號向天空發射,經由電離層的反射,再次回到地面,實現遠距離無線信號傳輸。

  然而對於衛星和航天器,我們就要選擇能穿過電離層的電磁波頻段來實現衛星或航天器與地面之間的通信。

來源|國家空間天氣監測預警中心
來源|國家空間天氣監測預警中心

  當太陽耀斑發出的電磁波達到地球電離層後,會使平靜、均勻、結構完整的電離層受到擾動,使電離層密度不均,甚至團塊化——有些地方出現電離層空洞,有些地方的電離層又會突然變厚。

  這時一些原本應該被電離層反射的短波可能會在空洞處穿出,一些原本該穿過電離層傳到衛星的信號可能會被增厚的區域阻擋。整個短波通信和衛星通信都會處於混亂的狀態。

  雖然不像地震洪水一樣,會造成實實在在的傷害,但對於衛星通信已經十分普及的今天,這樣的混亂的局面也會帶來不少麻煩甚至釀成事故。

  >>>>高能帶電粒子流

  伴隨著太陽耀斑會同時發生高能帶電粒子流,但由於帶電粒子的運動速度達不到光速,約數萬千米每秒,因此它會在強光“襲擊”完地球後再到達。

  如果太陽耀斑產生的強光是“魔法攻擊”,那麼高能帶電粒子流帶來的則是“物理傷害”。

  我們知道衛星上的芯片會用高低電平來代表數字信號的0與1,借由芯片內各個元件高低電平的變化來存儲信息、計算數據,為衛星下指令,使其正常在軌運行,並實現特定的功能。

  當高速的帶電粒子轟擊到衛星的芯片時,會改變電路的狀態,本來低電平的元件可能被帶電粒子激發到高電平。這時芯片就會給衛星下達錯誤指令,使衛星無法正常工作。大量能量很高的帶電粒子甚至會直接損壞芯片。

  2003年11月,一系列強太陽活動後,高能粒子流損壞了多顆衛星,數十顆衛星數據異常或無數據,日本的一顆衛星與地面失聯。

  除了衛星,更多的高能帶電粒子流會轟擊到地球大氣,使高空大氣的密度劇烈上升,有時可能會上升數百倍。

  要知道很多衛星和航天器都是在近地軌道運行的,這裏依然有著稀薄的大氣。在空氣阻力作用下,衛星和航天器的速度會慢慢降低,使得軌道高度不斷下降。因此,衛星和航天器需要不時地點火加速,維持軌道高度,避免墜毀。

  當高能粒子流使高層大氣密度劇烈上升時,大氣對衛星的阻力也會異常增加,使得衛星速度和軌道高度驟降,如果不及時進行人為控制,衛星和航天器很可能墜毀。但緊急加速會消耗額外的燃料,這會縮短航天器在軌時間,使其壽命減短。

  >>>>日冕物質拋射

  太陽最強力的第三招便是日冕物質拋射,形象地說就是太陽上的一小部分被拋了出來。

  日冕物質是溫度達到上百萬攝氏度的等離子體,速度在幾百到上千千米每秒。它的厲害之處是體量巨大,拋射出的物質足足有上億噸,甚至有可能達到幾百億噸。這一大坨高溫等離子體以“排山倒海”之勢掃向地球,後果可想而知。

  地球也不是束手無策,它最好的防護正是地磁場。

  磁場能使帶電粒子的方向改變,讓它們繞過地球,一部分帶電粒子會沿著地磁場注入地球的南北兩極,形成極光。

來源|國家空間天氣監測預警中心
來源|國家空間天氣監測預警中心
來源|網絡
來源|網絡

  與平時正常的“太陽風”不同,來勢洶洶的日冕物質會劇烈改變地磁場原本的大小、方向、強度。地磁場急劇改變時,就會發生地磁暴。

  還記得物理課上被電磁感應定律支配的恐懼嗎?當磁場改變,恰好還穿過導體時會發生什麼?

  沒錯,會產生感應電流!當地磁場劇烈變化,會在輸電線、變電箱內產生感應電流,當原有的電流和地磁場變化產生的感應電流超過最大的載荷時就會造成大規模停電。

  歷史上曾多次出現地磁暴引起的大停電事件,如1989年加拿大魁北克大停電,2003年11月萬聖節風暴大停電等。

  大量高能的粒子湧向地球,也會使高空大氣密度劇烈上升,還是2003年的那次大爆發,發生了至少80次日冕物質拋射,400千米高度的地球大氣密度較以往提升了5到8倍。

  當時正趕上我國神舟五號任務,楊利偉已乘坐返回艙回到地面,但是軌道艙依然在軌運行,繼續著科學實驗。

  由於高層大氣密度明顯增加,神舟五號的留軌艙受此影響軌道高度明顯降低,不得不消耗燃料提升軌道,以避免提前墜毀,但是造成了燃料的額外使用,縮短了在軌任務時間。

  這次太陽活動爆發也是有記錄以來最大的一次。一個月內,發生了143次耀斑,至少80次日冕物質拋射。幾乎所有的人造航天器都受到了影響,多顆人造衛星進入低功耗的安全模式,以儘可能減少錯誤代碼出現,甚至木星、土星附近的探測器都沒有倖免。

2003年10月19日至11月4日太陽活動(X射線) 來源|北京科學中心小球大世界特色展區
2003年10月19日至11月4日太陽活動(X射線) 來源|北京科學中心小球大世界特色展區

  其中,46顆通訊衛星出現異常,一顆日本衛星完全失控。遠在火星的奧德賽火星探測器被高能粒子損壞,國際空間站緊急關閉了機械臂,關閉艙門,宇航員多次臨時終止任務,躲避高能輻射。

  大量高能粒子從地球兩極注入地球大氣,發生劇烈碰撞,產生範圍極大的極光,在北緯25度都能用肉眼看到極光。跨越極地的航班因短波通訊中斷而臨時取消或修改航線。

  除了這次,2012年7月太陽也發生過一次更劇烈的爆發,但幸運的是它並沒有面向地球。要知道2012年電子設備已經融入各行各業,如果此次爆發“命中”地球,後果不堪設想。

來源|國家空間天氣監測預警中心
來源|國家空間天氣監測預警中心

  面對空間天氣災害我們能做些什麼呢?進行持續的觀測至關重要,包括在地面上的觀測以及利用衛星觀測,同時要構建起及時、準確的預告-預警-應對機製。

  目前我國已經具備獨立自主的空間天氣監測能力。可利用實時數據和已有的預報模型,完成數小時或數天的預警。

  其實,小夥伴們也不用過度擔心,異常的空間天氣帶來的輻射、高能粒子、地磁暴等會中斷通訊,損壞輸電設施,卻幾乎不會傷害到我們的血肉之軀。如果有一天人類再次面臨嚴重的太陽爆發,要記住:不恐慌,不傳謠,遠離大型電力設施,配合社區工作人員安心度過這段沒有網、沒有電的時光。

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