太空时代的“天气预报”——空间天气要怎么报?

2019年03月29日
天气预报,想必大家都知道,每天出门前可能很多人都会打开天气预报看一看,以便准备一天的着装安排及出行计划。但是,“空间天气”却鲜少有人提及。此时你是不是有点疑惑:在茫茫宇宙中,也会有天气存在吗?会对地球有影响吗?要怎么预报它呢?
空间天气现象的源头:太阳
太阳是一切空间天气现象的源头,是空间天气事件的最初驱动者。太阳是恒星家族中的一个中年大叔,而且脾气相当不好,动不动就会释放出大量的能量。太阳大致可以分为核心区、辐射区、对流区、光球层、色球层、过渡区和日冕七大部分。
核心区占太阳半径的1/5~1/4,这里是进行核聚变的区域,也是导致太阳脾气暴躁的区域,因为太阳99%的能量在此产生—高达1500万摄氏度的高温,使得太阳内部的氢转变为氦,而少量的氦再转换为碳、氮、氧等重元素,从而释放出大量能量。从核心区的外部到70%的太阳半径之间是太阳的辐射区,热辐射是这个区域的主要能量传输方式。再向外一直延伸到接近表面,则是太阳的对流区,这个区域的温度和密度相对于辐射区要低,因此无法用辐射传输的方式完成由内而外的能量流动,只能选择对流的方式将太阳核心区释放的能量传输到表面。对流层向外则是太阳的大气,包括光球层、色球层、过渡区以及日冕。
太阳虽然脾气很暴躁,但是耍脾气的方式(释放能量的方式)非常单一,就是通过磁场活动。太阳的磁场在对流层底部产生之后形成很强的磁流管。这些磁流管非常不稳定,向上浮现后形成了一个又一个的活动区,这些活动区的活动特征有黑子、谱斑、暗条等。
太阳黑子图,图中黑色部分为黑子的本影区,灰色为半影区,黄色部分为米粒组织(供图/毛田)
爆发:耀斑和日冕物质抛射
恶劣空间天气环境主要由耀斑和日冕物质抛射(CME)引起,其中绝大部分由黑子群或活动区的复杂磁场释放的能量导致。
太阳耀斑是太阳大气最大的能量释放现象,爆发时太阳大气局部突然变亮,并伴随粒子发射。耀斑爆发后,日冕在短时间内被加热到几千万摄氏度,太阳软X射线大大增强,高能电子的回旋同步辐射和韧致辐射也将分别激发射电暴和硬X射线暴,对人类的航天器和空间活动造成影响。
因此,耀斑预报和耀斑发生时产生的各类辐射是空间天气关注的一个方面。而作为空间天气预报重要一环的耀斑预报,正在向自动化预报方向发展,比如结合机器学习和太阳物理学等学科的预报机制。
SDO卫星拍摄的耀斑爆发(供图/毛田)
日冕物质抛射(CME)是太阳大气中出现的最大规模的快速抛射现象,在日地关系中起着关键作用。它会在短时间内像泼水一样,从日冕抛射出1014~1016g携带磁场的物质进入到日地空间中。1971年12月14日,美国海军实验室OSO-7卫星首次观测到当时被称之为“日冕瞬变事件”的日冕物质抛射。
日冕物质抛射最重要的特性就是其对地有效性,即能否到达地球并携带有可产生磁暴的磁场。日冕物质抛射撞击地球磁层时,会产生大的地磁暴,进而造成大量对人类技术系统的不利影响,例如电网出现故障、卫星导航失灵。因此,在预报中准确确定日冕物质抛射发生的位置、行进的方向以及何时到达地球非常重要。就像是打雪仗时,我们要预测别人扔来的雪球要从哪个方向、什么时候砸到我们一样。
沉默的巨人:冕洞和磁暴
冕洞是太阳日冕区域存在的一些电磁辐射弱、温度和密度比周围小得多的特殊区域,这些区域就好像是在太阳的日冕层挖掉了一部分(如下图)。冕洞区域受到太阳开放性磁场的影响,喷射出太阳高速流,从而影响到地球的地磁活动。冕洞对地磁的影响与冕洞的面积成比例,并且跨越赤道的冕洞比未跨越赤道的同级冕洞引起的地磁效应更为强烈。
太阳冕洞,黑色部分为冕洞区域(图片来源 / SDO网站)
冕洞对地磁活动的影响是通过太阳风和行星际磁场与地磁场的相互作用产生的,并且随着太阳的自转存在一个大约27天的周期。因此,在空间天气的预报过程中,我们可以参考上一个周期冕洞产生的影响,再结合冕洞的大小、位置等信息来预报近期冕洞对地磁的影响——是否会产生地磁暴。
地磁暴是一种剧烈的、全球性的地磁扰动现象,以环绕地球的强电流形成为基本标志。从1722年格雷厄姆第一次观测到地磁暴至今,地磁暴一直是地球物理学界热烈讨论的话题,也是地磁和空间物理学中极富挑战性的课题之一。地磁暴产生的具体物理过程现在仍然不是很清楚,一般认为,地磁暴是由行星际磁场南向分量与地球磁场发生磁重联,使太阳风中的能量和粒子注入磁层内部而触发的。
地磁暴对于通信系统、电力系统、输油管道、空间飞行器、信鸽飞行等有严重影响,同时,地磁暴还会引起电离层暴,从而干扰短波无线电通信;它还可能干扰电工、磁工设备运行,因此地磁暴研究和预报有重要的实际应用价值。
当太阳活动将巨大的能量和物质抛向地球时,会引起地球空间环境发生灾害性变化,恶劣的空间天气会给人类生活带来巨大的损失。随着人类文明的飞速发展,一些国家逐渐意识到极端空间天气的危害,纷纷开始制定空间天气计划,空间天气研究也在不断发展。
我们相信,未来空间天气业务的发展必将满足经济社会、国家安全等方面的需求,充分保障人们在太空中进行各种航天活动。
来源:知识就是力量公众号