每年10月4日至10日是世界空間周，2024年世界空間周主題為“空間科學與氣候變化（Space & Climate Change）”。

當下，我們正面臨著前所未有的氣候挑戰，而空間科學正逐漸成為理解和解決這些挑戰的關鍵。從太陽活動到地球大氣層的相互作用，空間與氣候變化之間的聯系日益凸顯。在2024年世界空間周到來之際，科普中國邀請國家空間天氣監測預警中心的樂貴明研究員，為大家揭秘空間科學特別是空間天氣對我們人類和地球的影響。

問：什么是空間天氣，它和我們日常天氣一樣嗎？

答：廣義地說，空間天氣是整個太陽系的物理狀態。由于人生活在地球上，絕大多數衛星都在地球周圍的太空，因此，人們最關心的是地球周圍太空的物理狀態；狹義地說，地球周圍太空的物理狀態就是空間天氣。

空間天氣主要包含空間磁場和帶電粒子強度在空間的分布及其變化。這會對天基和地基技術系統導致一系列的不利影響，比如說對電網的安全，對短波通訊，對石油管道等地下管網的壽命，對導航和定位（從而影響飛過高緯的航線），對衛星上的電子設備，對航空乘客和宇航員的健康，對低軌衛星的軌道高度等都會造成不利影響。

空間天氣與日常天氣不同。空間天氣主要是由等離子體的運動導致的，而天氣是由中性大氣的運動導致的。不過都分好天氣和壞天氣。

問：有哪些因素會影響到空間天氣？

答：影響空間天氣的主要因素是太陽活動，其他因素還有季節等。

問：常見的空間天氣事件有哪些？

答：磁層高能質子增強事件、磁層高能電子增強事件、地磁暴、突然電離層騷擾，電離層暴，熱層暴。

問：對于天氣來說，它的周期是365天，那么空間天氣呢，它的周期是多長時間？

答：空間天氣受太陽活動的控制，因此，太陽活動的周期就是空間天氣的周期，其周期范圍是9-14年，即有些太陽活動周的時間短一點，有些長一點。通過統計分析，發現太陽活動周的長度大部分為10.6年左右，接近11年。從更長的時間尺度來說，還有接近22年，100年左右的周期以及更長的周期。

問：剛才您提到空間天氣和日常天氣一樣也有好壞之分，那么什么樣的空間天氣為極端空間天氣？極端空間天氣事件主要包含哪幾種？極端空間天氣對人類活動影響有多大？

答：極端空間天氣事件指對天基和地基技術系統影響非常大的，且出現頻次非常低的事件。當某種事件的出現頻次低于或接近1‰。如C級以上太陽耀斑中，X5級以上的耀斑比率接近1‰，就可以稱之為極端事件。

極端空間天氣事件的危害非常大，一次極端事件有可能會摧毀一顆甚至多顆衛星使其永久失效，或者大幅度降低衛星的功能(如2000年7月14日的太陽爆發事件導致一顆衛星永久失效，多顆衛星功能大幅度降低)，也可能摧毀一個電網或數個電網（如1989年3月10日的太陽爆發摧毀了加拿大魁北克省的電網，導致加拿大魁北克省大停電、2003年10月28日的太陽爆發導致瑞典馬爾默大停電，我國多個電網出現潛在威脅），有可能造成短波通信中斷數小時（2003年10月28日的太陽爆發導致滿洲里短波通訊中斷5小時）……如果極端事件非常厲害，很可能摧毀多顆衛星，多個電網……

問：剛才您提到，空間天氣主要受太陽活動控制，那么極端空間天氣通常出現在太陽活動周的什么時段？

答：其中，超過65%出現在太陽活動周的下降段，超過80%出現在太陽黑子活動峰值的前兩年和后三年期間，此外，與磁層相互作用形成的極端空間天氣主要出現在春分和秋分附近。

1976-2018年期間≥X5級耀斑

1932-2018年期間的超級磁暴，紅色實心圓點代表該超級磁暴是由太陽北半球的日冕物質拋射事件造成的，藍色實心圓點代表該超級磁暴是由太陽南半球的日冕物質拋射事件造成的。

1932-2018年期間每個月特大磁暴的數量

問：人們對長期的太陽黑子數描述的太陽活動和極端空間天氣事件的關系方面有沒有什么發現？

答：統計研究發現，太陽黑子數描述的太陽活動周越強，極端事件的數量總體上越多，但一個太陽活動極端事件的最大強度與太陽黑子數描述的太陽活動周強度的相關系數非常低，即弱的太陽活動周可能出現比強的太陽活動周更惡劣的空間天氣事件。

太陽活動周的幅度和太陽活動周特大磁暴數量的相關性

太陽活動周的幅度和太陽活動周內的最強磁暴的相關性

問：面對極端空間天氣事件，應采取什么措施，把極端空間天氣事件的危害盡可能減少？

答：原則上可以對所有航天器的抗輻射加固設計方面做得足夠充分（成本會大幅度增加），從而保證航天器即使在極端惡劣環境下，也可以正常工作。要想經濟高效，可以只對特定的一些軌道，進行過量抗輻射加固設計。

通常情況下，對于航天器，在惡劣的空間天氣情況下，容易受帶電粒子攻擊的電子設備可以考慮關閉一段時間。

對于低軌航天器，可以適度把衛星軌道高度略微提升一點，對于宇航員應取消艙外作業、對于電網應調低電流（或者把電網變壓器的功率提高足夠多-大幅度提高成本）、對于穿越高緯的航班，需要改變航線或者取消航班（等極端事件結束之后再恢復），漁民取消海上作業及時返航……

問：目前科學家們是如何監測和預測空間天氣事件的？可以提前多久進行預測？準確率如何？

答：空間天氣的監測分為地基和天基的。地基監測網可以監測太陽活動、行星際和地球磁場、電離層和中高層大氣等。天基可以監測航天器所在位置的太空環境（等離子體信息、高能粒子信息、磁場信息等），可以遙測太陽活動，還有抵近太陽的觀測。通過天基地基的監測，人們可以實現中高層大氣、電離層、磁層、行星際空間到太陽的全域監測。

通過對大量不同事件的個例分析，以及通過對大量事件的統計研究和數值模擬研究，人們建立了很多空間天氣的統計模型與數值模型。人們利用這些模型開展空間天氣預報。空間天氣預報分為提前1小時左右的臨近預報、提前1-3天的短期預報、提前27天的中期預報、提前三個月甚至更長時間的長期預報。對于太陽突然爆發事件（耀斑和日冕物質拋射）的預報準確率目前還比較低，相對來說，磁暴的預報準確率要高很多，但要完全準確預報磁暴的強度目前依然非常困難，對于電離層暴和中高層大氣密度變化的預報準確率都不高。

問：關于空間天氣研究，目前有哪些新趨勢？

答：因為研究水平依賴觀測水平的高低和采用的研究方法的先進程度，所以，空間天氣研究的新趨勢首先是要加強觀測，比如對太陽進行多視角成像觀測、加強行星際空間的（非一條直線的）多點就地觀測、加強磁層空間的多點就地觀測和南北極極光不間斷觀測（這些都需要大量的經費投入）。

過去在針對突然爆發的空間天氣事件，主要開展爆發的物理機制研究和統計研究，現在人們也開始把深度學習和機器學習等方法引入，并與物理機制研究、統計研究結合起來開展對各類空間天氣事件研究。

問：今年世界空間周的主題是空間科學與氣候變化，從您長期做空間與天氣研究的角度看，太陽活動與地球上的天氣氣候是什么樣的關系？

答：長期觀測發現，在太陽黑子數多的時期（太陽活動高年），梅雨帶明顯北移，而在黑子數較少的時期（太陽活動低年），梅雨帶明顯南移。

在太陽活動高年，淮河地區降水多，降水范圍大；在太陽活動低年，淮河地區降水少，降水范圍小。

地球大氣臭氧的數量與太陽活動的強度總體呈現反相關的關系，這會造成太陽活動低年氣溫偏低，太陽活動高年氣溫偏高。

在太陽活動高年宇宙線強度下降，可能導致云更少，降雨減少，從而有利于氣溫升高。反之，在太陽活動低年，有利于氣溫下降。

太陽活動影響氣候的主要因素是太陽總輻射強度。從長期看，太陽總輻射強度并不是一個固定值，它會有一個小幅度的波動。

太陽總輻射常數是指在日地平均距離處，地球大氣上界垂直于太陽光線的單位面積上在單位時間內所接收到的太陽輻射的總能量。

專家：國家空間天氣監測預警中心研究員樂貴明

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