天氣預(yù)報，想必大家都知道，每天出門前可能很多人都會打開天氣預(yù)報看一看，以便準(zhǔn)備一天的著裝安排及出行計劃。但是，“空間天氣”卻鮮少有人提及。此時你是不是有點疑惑：在茫茫宇宙中，也會有天氣存在嗎？會對地球有影響嗎？要怎么預(yù)報它呢？
空間天氣現(xiàn)象的源頭：太陽
太陽是一切空間天氣現(xiàn)象的源頭，是空間天氣事件的最初驅(qū)動者。太陽是恒星家族中的一個中年大叔，而且脾氣相當(dāng)不好，動不動就會釋放出大量的能量。太陽大致可以分為核心區(qū)、輻射區(qū)、對流區(qū)、光球?qū)?、色球?qū)?、過渡區(qū)和日冕七大部分。
核心區(qū)占太陽半徑的1/5～1/4，這里是進行核聚變的區(qū)域，也是導(dǎo)致太陽脾氣暴躁的區(qū)域，因為太陽99%的能量在此產(chǎn)生—高達1500萬攝氏度的高溫，使得太陽內(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%的太陽半徑之間是太陽的輻射區(qū)，熱輻射是這個區(qū)域的主要能量傳輸方式。再向外一直延伸到接近表面，則是太陽的對流區(qū)，這個區(qū)域的溫度和密度相對于輻射區(qū)要低，因此無法用輻射傳輸?shù)姆绞酵瓿捎蓛?nèi)而外的能量流動，只能選擇對流的方式將太陽核心區(qū)釋放的能量傳輸?shù)奖砻?。對流層向外則是太陽的大氣，包括光球?qū)?、色球?qū)?、過渡區(qū)以及日冕。
太陽雖然脾氣很暴躁，但是耍脾氣的方式（釋放能量的方式）非常單一，就是通過磁場活動。太陽的磁場在對流層底部產(chǎn)生之后形成很強的磁流管。這些磁流管非常不穩(wěn)定，向上浮現(xiàn)后形成了一個又一個的活動區(qū)，這些活動區(qū)的活動特征有黑子、譜斑、暗條等。
太陽黑子圖，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區(qū)的復(fù)雜磁場釋放的能量導(dǎo)致。
太陽耀斑是太陽大氣最大的能量釋放現(xiàn)象，爆發(fā)時太陽大氣局部突然變亮，并伴隨粒子發(fā)射。耀斑爆發(fā)后，日冕在短時間內(nèi)被加熱到幾千萬攝氏度，太陽軟X射線大大增強，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，對人類的航天器和空間活動造成影響。
因此，耀斑預(yù)報和耀斑發(fā)生時產(chǎn)生的各類輻射是空間天氣關(guān)注的一個方面。而作為空間天氣預(yù)報重要一環(huán)的耀斑預(yù)報，正在向自動化預(yù)報方向發(fā)展，比如結(jié)合機器學(xué)習(xí)和太陽物理學(xué)等學(xué)科的預(yù)報機制。
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。它會在短時間內(nèi)像潑水一樣，從日冕拋射出1014～1016g攜帶磁場的物質(zhì)進入到日地空間中。1971年12月14日，美國海軍實驗室OSO-7衛(wèi)星首次觀測到當(dāng)時被稱之為“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地有效性，即能否到達地球并攜帶有可產(chǎn)生磁暴的磁場。日冕物質(zhì)拋射撞擊地球磁層時，會產(chǎn)生大的地磁暴，進而造成大量對人類技術(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)報中準(zhǔn)確確定日冕物質(zhì)拋射發(fā)生的位置、行進的方向以及何時到達地球非常重要。就像是打雪仗時，我們要預(yù)測別人扔來的雪球要從哪個方向、什么時候砸到我們一樣。
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)域就好像是在太陽的日冕層挖掉了一部分（如下圖）。冕洞區(qū)域受到太陽開放性磁場的影響，噴射出太陽高速流，從而影響到地球的地磁活動。冕洞對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冕洞引起的地磁效應(yīng)更為強烈。
太陽冕洞，黑色部分為冕洞區(qū)域（圖片來源/SDO網(wǎng)站）
冕洞對地磁活動的影響是通過太陽風(fēng)和行星際磁場與地磁場的相互作用產(chǎn)生的，并且隨著太陽的自轉(zhuǎn)存在一個大約27天的周期。因此，在空間天氣的預(yù)報過程中，我們可以參考上一個周期冕洞產(chǎn)生的影響，再結(jié)合冕洞的大小、位置等信息來預(yù)報近期冕洞對地磁的影響——是否會產(chǎn)生地磁暴。
地磁暴是一種劇烈的、全球性的地磁擾動現(xiàn)象，以環(huán)繞地球的強電流形成為基本標(biāo)志。從1722年格雷厄姆第一次觀測到地磁暴至今，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)生的具體物理過程現(xiàn)在仍然不是很清楚，一般認為，地磁暴是由行星際磁場南向分量與地球磁場發(fā)生磁重聯(lián)，使太陽風(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、信鴿飛行等有嚴重影響，同時，地磁暴還會引起電離層暴，從而干擾短波無線電通信；它還可能干擾電工、磁工設(shè)備運行，因此地磁暴研究和預(yù)報有重要的實際應(yīng)用價值。
當(dāng)太陽活動將巨大的能量和物質(zhì)拋向地球時，會引起地球空間環(huán)境發(fā)生災(zāi)害性變化，惡劣的空間天氣會給人類生活帶來巨大的損失。隨著人類文明的飛速發(fā)展，一些國家逐漸意識到極端空間天氣的危害，紛紛開始制定空間天氣計劃，空間天氣研究也在不斷發(fā)展。
我們相信，未來空間天氣業(yè)務(wù)的發(fā)展必將滿足經(jīng)濟社會、國家安全等方面的需求，充分保障人們在太空中進行各種航天活動。（撰文/國家空間天氣監(jiān)測預(yù)警中心 王聰 韓大洋）
