天氣預(yù)報(bào)，想必大家都知道，每天出門前可能很多人都會(huì)打開(kāi)天氣預(yù)報(bào)看一看，以便準(zhǔn)備一天的著裝安排及出行計(jì)劃。但是，“空間天氣”卻鮮少有人提及。此時(shí)你是不是有點(diǎn)疑惑：在茫茫宇宙中，也會(huì)有天氣存在嗎？會(huì)對(duì)地球有影響嗎？要怎么預(yù)報(bào)它呢？
空間天氣現(xiàn)象的源頭：太陽(yáng)
太陽(yáng)是一切空間天氣現(xiàn)象的源頭，是空間天氣事件的最初驅(qū)動(dòng)者。太陽(yáng)是恒星家族中的一個(gè)中年大叔，而且脾氣相當(dāng)不好，動(dòng)不動(dòng)就會(huì)釋放出大量的能量。太陽(yáng)大致可以分為核心區(qū)、輻射區(qū)、對(duì)流區(qū)、光球?qū)?、色球?qū)?、過(guò)渡區(qū)和日冕七大部分。
核心區(qū)占太陽(yáng)半徑的1/5～1/4，這里是進(jìn)行核聚變的區(qū)域，也是導(dǎo)致太陽(yáng)脾氣暴躁的區(qū)域，因?yàn)樘?yáng)99%的能量在此產(chǎn)生—高達(dá)1500萬(wàn)攝氏度的高溫，使得太陽(yáng)內(nèi)部的氫轉(zhuǎn)變?yōu)楹?，而少量的氦再轉(zhuǎn)換為碳、氮、氧等重元素，從而釋放出大量能量。從核心區(qū)的外部到70%的太陽(yáng)半徑之間是太陽(yáng)的輻射區(qū)，熱輻射是這個(gè)區(qū)域的主要能量傳輸方式。再向外一直延伸到接近表面，則是太陽(yáng)的對(duì)流區(qū)，這個(gè)區(qū)域的溫度和密度相對(duì)于輻射區(qū)要低，因此無(wú)法用輻射傳輸?shù)姆绞酵瓿捎蓛?nèi)而外的能量流動(dòng)，只能選擇對(duì)流的方式將太陽(yáng)核心區(qū)釋放的能量傳輸?shù)奖砻妗?duì)流層向外則是太陽(yáng)的大氣，包括光球?qū)?、色球?qū)印⑦^(guò)渡區(qū)以及日冕。
太陽(yáng)雖然脾氣很暴躁，但是耍脾氣的方式（釋放能量的方式）非常單一，就是通過(guò)磁場(chǎng)活動(dòng)。太陽(yáng)的磁場(chǎng)在對(duì)流層底部產(chǎn)生之后形成很強(qiáng)的磁流管。這些磁流管非常不穩(wěn)定，向上浮現(xiàn)后形成了一個(gè)又一個(gè)的活動(dòng)區(qū)，這些活動(dòng)區(qū)的活動(dòng)特征有黑子、譜斑、暗條等。
太陽(yáng)黑子圖，圖中黑色部分為黑子的本影區(qū)，灰色為半影區(qū)，黃色部分為米粒組織（供圖/毛田）
爆發(fā)：耀斑和日冕物質(zhì)拋射
惡劣空間天氣環(huán)境主要由耀斑和日冕物質(zhì)拋射（CME）引起，其中絕大部分由黑子群或活動(dòng)區(qū)的復(fù)雜磁場(chǎng)釋放的能量導(dǎo)致。
太陽(yáng)耀斑是太陽(yáng)大氣最大的能量釋放現(xiàn)象，爆發(fā)時(shí)太陽(yáng)大氣局部突然變亮，并伴隨粒子發(fā)射。耀斑爆發(fā)后，日冕在短時(shí)間內(nèi)被加熱到幾千萬(wàn)攝氏度，太陽(yáng)軟X射線大大增強(qiáng)，高能電子的回旋同步輻射和韌致輻射也將分別激發(fā)射電暴和硬X射線暴，對(duì)人類的航天器和空間活動(dòng)造成影響。
因此，耀斑預(yù)報(bào)和耀斑發(fā)生時(shí)產(chǎn)生的各類輻射是空間天氣關(guān)注的一個(gè)方面。而作為空間天氣預(yù)報(bào)重要一環(huán)的耀斑預(yù)報(bào)，正在向自動(dòng)化預(yù)報(bào)方向發(fā)展，比如結(jié)合機(jī)器學(xué)習(xí)和太陽(yáng)物理學(xué)等學(xué)科的預(yù)報(bào)機(jī)制。
SDO衛(wèi)星拍攝的耀斑爆發(fā)（供圖/毛田）
日冕物質(zhì)拋射（CME）是太陽(yáng)大氣中出現(xiàn)的最大規(guī)模的快速拋射現(xiàn)象，在日地關(guān)系中起著關(guān)鍵作用。它會(huì)在短時(shí)間內(nèi)像潑水一樣，從日冕拋射出1014～1016g攜帶磁場(chǎng)的物質(zhì)進(jìn)入到日地空間中。1971年12月14日，美國(guó)海軍實(shí)驗(yàn)室OSO-7衛(wèi)星首次觀測(cè)到當(dāng)時(shí)被稱之為“日冕瞬變事件”的日冕物質(zhì)拋射。
日冕物質(zhì)拋射最重要的特性就是其對(duì)地有效性，即能否到達(dá)地球并攜帶有可產(chǎn)生磁暴的磁場(chǎng)。日冕物質(zhì)拋射撞擊地球磁層時(shí)，會(huì)產(chǎn)生大的地磁暴，進(jìn)而造成大量對(duì)人類技術(shù)系統(tǒng)的不利影響，例如電網(wǎng)出現(xiàn)故障、衛(wèi)星導(dǎo)航失靈。因此，在預(yù)報(bào)中準(zhǔn)確確定日冕物質(zhì)拋射發(fā)生的位置、行進(jìn)的方向以及何時(shí)到達(dá)地球非常重要。就像是打雪仗時(shí)，我們要預(yù)測(cè)別人扔來(lái)的雪球要從哪個(gè)方向、什么時(shí)候砸到我們一樣。
SOHO衛(wèi)星拍攝的日冕物質(zhì)拋射（供圖/毛田）
沉默的巨人：冕洞和磁暴
冕洞是太陽(yáng)日冕區(qū)域存在的一些電磁輻射弱、溫度和密度比周圍小得多的特殊區(qū)域，這些區(qū)域就好像是在太陽(yáng)的日冕層挖掉了一部分（如下圖）。冕洞區(qū)域受到太陽(yáng)開(kāi)放性磁場(chǎng)的影響，噴射出太陽(yáng)高速流，從而影響到地球的地磁活動(dòng)。冕洞對(duì)地磁的影響與冕洞的面積成比例，并且跨越赤道的冕洞比未跨越赤道的同級(jí)冕洞引起的地磁效應(yīng)更為強(qiáng)烈。
太陽(yáng)冕洞，黑色部分為冕洞區(qū)域（圖片來(lái)源/SDO網(wǎng)站）
冕洞對(duì)地磁活動(dòng)的影響是通過(guò)太陽(yáng)風(fēng)和行星際磁場(chǎng)與地磁場(chǎng)的相互作用產(chǎn)生的，并且隨著太陽(yáng)的自轉(zhuǎn)存在一個(gè)大約27天的周期。因此，在空間天氣的預(yù)報(bào)過(guò)程中，我們可以參考上一個(gè)周期冕洞產(chǎn)生的影響，再結(jié)合冕洞的大小、位置等信息來(lái)預(yù)報(bào)近期冕洞對(duì)地磁的影響——是否會(huì)產(chǎn)生地磁暴。
地磁暴是一種劇烈的、全球性的地磁擾動(dòng)現(xiàn)象，以環(huán)繞地球的強(qiáng)電流形成為基本標(biāo)志。從1722年格雷厄姆第一次觀測(cè)到地磁暴至今，地磁暴一直是地球物理學(xué)界熱烈討論的話題，也是地磁和空間物理學(xué)中極富挑戰(zhàn)性的課題之一。地磁暴產(chǎn)生的具體物理過(guò)程現(xiàn)在仍然不是很清楚，一般認(rèn)為，地磁暴是由行星際磁場(chǎng)南向分量與地球磁場(chǎng)發(fā)生磁重聯(lián)，使太陽(yáng)風(fēng)中的能量和粒子注入磁層內(nèi)部而觸發(fā)的。
地磁暴對(duì)于通信系統(tǒng)、電力系統(tǒng)、輸油管道、空間飛行器、信鴿飛行等有嚴(yán)重影響，同時(shí)，地磁暴還會(huì)引起電離層暴，從而干擾短波無(wú)線電通信；它還可能干擾電工、磁工設(shè)備運(yùn)行，因此地磁暴研究和預(yù)報(bào)有重要的實(shí)際應(yīng)用價(jià)值。
當(dāng)太陽(yáng)活動(dòng)將巨大的能量和物質(zhì)拋向地球時(shí)，會(huì)引起地球空間環(huán)境發(fā)生災(zāi)害性變化，惡劣的空間天氣會(huì)給人類生活帶來(lái)巨大的損失。隨著人類文明的飛速發(fā)展，一些國(guó)家逐漸意識(shí)到極端空間天氣的危害，紛紛開(kāi)始制定空間天氣計(jì)劃，空間天氣研究也在不斷發(fā)展。
我們相信，未來(lái)空間天氣業(yè)務(wù)的發(fā)展必將滿足經(jīng)濟(jì)社會(huì)、國(guó)家安全等方面的需求，充分保障人們?cè)谔罩羞M(jìn)行各種航天活動(dòng)。（撰文/國(guó)家空間天氣監(jiān)測(cè)預(yù)警中心 王聰 韓大洋）
