出品：中国科普博览 SELF格致论道讲坛

导语：在地面30公里以上，在我们仰望不到的地方，有着不一样的“天气”变化，科学家们称之为“空间天气”，它影响着我们的卫星、通讯系统、电力系统的运行。

---嘉宾介绍---

陈艳红

研究空间天气的科学家之一，作为中国科学院国家空间科学中心的副研究员、空间环境研究预报室研究组组长，她和她的同事们长期从事空间天气的预报工作，相继参与了神舟六号、神舟七号、天宫一号和嫦娥一号、嫦娥二号等重大航天工程的空间环境保障任务。

以下内容为陈艳红在SELF讲坛的演讲实录：

　　如果大家去过南极或者北极，或者去过美国的阿拉斯加，就可以看过这样的景象。

　　这就是美丽的极光。

　　极光它是怎么产生的呢，它在什么时候会发生呢，我先不告诉大家，先卖个关子。

　　这是从太空中拍摄的地球大气层的分层情况，非常漂亮。实际上，我们现在每个人关注的天气的阴晴雨雪的变化，来自于地球对流层的大气运动。对流层的高度在地面以上至10~20公里的地方，在20公里到平流层30公里的地方是我们飞机飞行的区域。也就是说我们普通人所关注和所能够到达的地方，也就是在地面30公里以下的区域。

　　在地面30公里以上还有很多很多很有趣又与我们生活很紧密的东西。比如我们男孩子关注的超音速飞行器，它的飞行范围大概在地面二三十公里到一百公里范围内。还有我们的流星，每天都有流星，数量比较少，你们有什么愿望每天都可以许愿的。我们流星高度大概60到120公里高度上。现在大家都知道国际空间站是在330公里高度上，还有我们刚才大家过来的时候都用GPS导航，GPS卫星在什么高度上呢？两万公里。

　　在与我们地球相对静止的36000公里的同步轨道上，密密麻麻分布着一圈人类各种通讯卫星和应用卫星。这些卫星和航天器生活的环境和我们人类地面上生活环境完全不一样，我们称它为空间环境。它的范围非常广，包括从地面大约30公里以上到整个太阳的区域范围内，在这个里面有一个很重要的区域，就是地球磁场与太阳风相互作用形成的像一个罩子的区域，我们叫它磁层。正是因为磁层，保护着我们和我们上空的这些卫星免受于太阳风的直接攻击。

　　空间环境和地面环境不一样，我们地面环境可能大家关注的是今天的温度是多少，今天有没有风，有没有下雨。空间环境关注的不同，主要关注太阳辐射的强度，还有空间当中各种粒子浓度大小，还有磁场的强度大小。

　　空间环境也不是永远一成不变的，也是时时刻刻发生演变的，这种空间环境变化我们叫做空间天气。和地面天气一样，空间天气和地面天气一样会发生剧烈变化，也会发生灾害性的变化，就像我们地面上会发生台风、龙卷风，还有暴风雪一样，它的灾害性的变化来自于太阳，所以我们叫做太阳风暴。太阳风暴主要有三种攻击形式来攻击地球，第一种，光的辐射增强，就是太阳耀斑，它到达地球的速度很快，也就8分钟；第二种，太阳会喷射出能量非常高的带电粒子。到达地球需要几十分钟到几个小时；第三种影响范围最广，太阳的日冕物质向外喷出，大概一到四天后，到达地球空间，引起地球的磁层像海啸一样发生扰动，引起空间天气各种变化。

    这种变化有什么影响呢，我先给大家看一个很短的视频。

    魁北克大停电事故，当时造成魁北克地区600万人9个小时没有电可以用，造成这次事故是不是人为的事故，或者是不是恐怖袭击呢？后来经过分析发现不是，它其实就是一次自然灾害，它的元凶就来自于太阳。在这次停电事故三天前，太阳发生了非常强烈的太阳风暴，太阳喷射出的日冕物质，在三天后到达地球空间，引起地球磁场发生剧烈扰动，引发特别大的电磁暴。学过物理的人知道，地球磁场的扰动会产生电流，所以地面这种长的输电线路上，就会有很强的感应电流，高纬度地区特别强，而加拿大就属于高纬度地区，导致整个电力瘫痪。有意思的是，美国地理位置和加拿大是差不多的，它应该也受这种影响，但是美国因为提前知道了这个空间天气的信息，所以它们采取了一些措施，所以它们损失也就小一些。

　　魁北克事件使得人们对空间天气引起了极大的关注。实际上，空间天气所产生的影响还不仅仅是电网，它在很多方面都会对我们的生活产生影响。我们刚才说的极光，就是太阳爆发的时候，高能粒子进入我们地球上空比较低的地方，与大气相互作用产生的现象。极光是我们人类唯一能够用眼睛看到的空间天气现象。

　　另外空间天气影响我们卫星的元器件，造成卫星损伤或者是直接失效；还会引起对我们正在空中作业的航天员身体造成危害；还有刚才我们说的GPS导航，还有我们国家自己的北斗导航卫星——信号穿过整个大气层，它的折射效应就会引起定位误差，当空间天气发生剧烈变化的时候，它的误差就会增大；还有就是我们在坐飞机的时候，如果我们坐国际航班，一般都是跨极区飞行，这对人体辐射效应就会增强，所以这个时候航空公司往往就会绕开极光线路，更改其他线路，这种都会增加额外的经济负担。

    《2012》这个电影相信很多人都看过，它的背景是玛雅传说，其实还有另外一个背景，大家可能不是很清楚，就是太阳风暴。这个电影最开始的时候，有一个镜头是太阳风暴爆发的镜头，这就是它的另外一个背景。2008年的时候，美国科学院向国家提供了一个报告，叫做“极端的空间天气事件对经济和社会的影响”，报告指出了在当今社会我们人类如此依赖我们的卫星，如此依赖我们这些技术系统，而一旦发生一次非常强的太阳风暴，这些系统可能都将受到损害，我们人类的整个经济将会倒退。这个报告强调的是超强太阳风暴对经济的影响，后来媒体将它夸大，甚至有人谣传2012年超强风暴会引起世界末日。

    空间天气也是可以预报的，因为空间天气源头来自于太阳。如果我们对太阳规律研究比较清楚，我们知道它们什么时候爆发，或者是我们观测到它们的爆发，我们可以提前几天预测地球空间天气的变化，另外我们在平衡点L1点观测太阳爆发的物质和能量，传输这个位置变化的情况，我们也能预测地球风险变化。

   另外，我们在地面上和在地球的上空实时监测空间天气的变化，这一点也是非常重要的，因为空间天气我们人类无法感知。我们现在坐在这里，有可能现在地磁正在发生扰动，太阳就正在发生大的爆发，但是对于我们来说一点感觉都没有。

    空间天气预报主要是利用地基与天基监测，地基监测包括太阳观测望远镜，还包括无线电雷达，还有光学的雷达等等来观测我们各个层，各个区域环境的变化。在天上，我们在一些重要区域要放一些卫星可以直接探测粒子的浓度，也可以直接对太阳、大气进行拍照也可以进行监测。我们做空间天气预报主要将这些数据汇聚起来，然后经过科学的分析和处理，得到预报结果。这里就有很多科学研究的课题在里面。给大家举一个比较简单的例子，太阳活动是有11年周期性的，这种周期性怎么知道的呢，根据长期的太阳黑子观测记录，经过分析发现它变化的周期是十一年，根据这种变化规律我们采用一定方法可以预测未来11年的变化。目前我们正处在第24个太阳活动周，第24太阳活动周的高年就是2012年，也就是说2012年是太阳爆发高年，这可能也是谣传2012年是世界末日的原因之一。我们今年2016年是处在太阳活动从高年向低年转变的阶段。

    我来自于中科院国家空间中心，我们国家空间中心有专门部门做空间天气预报工作，我们叫做空间环境预报中心简称预报中心，我们是1992年与我国载人航天工程一块成立的，我们一直为神州系列飞船、天宫一号、马上发射的天宫二号、嫦娥系列，空间科学先导卫星系列做空间天气预报服务，包括前段时间发射的实践十号卫星，还有即将发射的量子卫星等等。

    1999年是神州一号发射的这一年。在原来预计时间发射前大概一个星期，发现它电路有问题，需要将神州一号整个重新检修组装，最后定于11月18日发射，但是11月18日对于我们空间天气预报的来说，并不是一个非常好的时间，因为这一天我们预测到正是流星雨爆发的峰值时间，流星爆发的时候，它会产生非常多的流星碎片，这些碎片与飞船碰撞的概率就会大大增加。我们当时做空间预报的团队，就把这个结果报告给了神州一号工程总指挥部，他们很重视，决定将神州一号时间再次推迟。经过分析如果推迟24小时，这种碰撞的概率会降到千分之六，如果再推迟24小时，就会降到万分之一，最后为了保证神州一号的安全，将神州一号发射时间推迟到了1999年11月20号，这一天也成为我国载人航天载入史册的一天。

    神州七号是2008年发射的，神州七号给大家的印象最深的是航天员出仓这件事情，也就是我国第一次航天员出仓进行太空活动。航天员出仓的时机要看空间天气，绝对不会选在我们太阳正在爆发高能粒子的时间，因为高能粒子对航天员身体损伤很大。

    这是神州七号在太空中真实的照片，这个真实照片大家知道是谁拍的么？是神州七号自身带的一个小小的守护神拍摄的。实际上，在神州七号发射的时候，有一个小卫星伴着它上去了，通过航天员手动将卫星放出去围绕神州七号进行绕飞。因为飞船和小卫星隔的非常近，一旦出现差错就会出现两败俱伤的情况。因为我们需要在地磁非常平静的时候来进行这个操作，这些都需要我们空间天气预报信息的支持。

　　说了这么多，大家可能觉得空间天气主要为这些重大工程服务的，跟我们有多大关系呢？实际上，我们也有很多用户来自于民间。

　　信鸽协会发现他们信鸽回来的数量与放出去的数量比，与我们地磁预报很相关，如果我们预报地磁有扰动的话，信鸽回来数量就很少。这其实很好理解，信鸽靠地磁来导航，一旦地磁出现扰动，它的导航可能出现问题，找不到它的家。对于一个信鸽爱好者来说，一个信鸽的价格大概是一千块钱到几千块钱之间，也是不小的损失。每次到周末天气好的时候，周五他们就会给我们打电话，就会问这个周末适不适合做信鸽比赛，什么时候做比较好，我们也非常高兴能为他们做这个服务。

　　相对于地面天气预报能力来说，空间天气预报能力差距还是非常大的，因为它的发展就是近几十年的事情。这个表大家不需要看懂，只需要知道里面有很多空白就可以了，这说明我们有很多地方需要我们空气天气预报，但是我们现在还没有能力做到，这不仅光是国内的现状，也是目前的国际水平，因为空间天气预报是个非常年轻的领域，在我国也就是二三十年的历史。我们这个团队也非常年轻，我在里面算是资历比较老的了。我们团队里有很多90后、80后的年轻人，也希望以后有更多的年轻人参与进来。现在我们每个人都离不开北斗导航、GPS导航卫星为我们导航定位，我们每个人都离不开卫星电视、离不开卫星通讯，未来人类还要进行太空旅游，到那个时候，空间天气将更加重要。

　　我们人类想象有多远，我想我们就能够走到多远，谢谢大家。

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