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宇宙中也有自然災害?太陽:看我的厲害

發(fā)布時間:2024-11-04 01:38:28 來源:中國宇航學會 字號: [ 大 ] [ 中 ] [ 小 ]

隨著新一輪太陽活動周期的開始,空間環(huán)境可能對人類的航天活動產(chǎn)生諸多不確定影響,以致形成空間自然災害。空間自然災害,主要是指由宇宙環(huán)境不穩(wěn)定如太空災害天氣、太空物體隕落、太陽磁場有害波動等引發(fā)的危險性行為和災難性后果。人類航天活動需要防范太空自然災害的影響。

喜怒無常的空間天氣

空間天氣的概念是美國在上個世紀90年代首先提出來的,可理解為由太陽活動釋放的電磁輻射和粒子發(fā)射在日地空間的傳遞和轉化過程。其中,從地表20~30公里以上到太陽外層大氣的空間區(qū)域稱作為日地空間,其主要覆蓋中高層大氣、電離層、磁層、行星際和太陽大氣等。太陽活動相對穩(wěn)定時可稱作“好天氣”;當太陽活動相對頻繁,甚至會引發(fā)無線電通信、衛(wèi)星導航以及電力等系統(tǒng)故障或崩潰時,將稱作為“壞天氣”。但與風、云、雨、雪等對流層天氣不同,災害性空間天氣的出現(xiàn)頻率不高,主要由太陽活動造成。

太陽是一個溫度高達百萬度的熾熱氣體(準確講是等離子體)球,無時不在“翻江倒海”,特別是在與太陽黑子相關的“風暴”區(qū)(專業(yè)上稱為太陽活動區(qū)),往往以“爆發(fā)性”方式向外釋放電磁輻射或高能粒子,這就是最近常見諸媒體的“太陽風暴”。

太陽風暴(SolarStorm)是由于太陽的劇烈爆發(fā)活動,進而引發(fā)的強烈擾動。太陽爆發(fā)活動指太陽大氣中發(fā)生的持續(xù)時間短暫、規(guī)模巨大的能量釋放現(xiàn)象,主要通過增強的電磁輻射、高能帶電粒子流和等離子體云等三種形式釋放。隨著太陽爆發(fā)的愈演愈烈,其噴射的物質(zhì)與能量抵達近地空間后,將會引發(fā)一系列地球空間環(huán)境的強烈擾動,進而影響人類活動。

太陽風暴

在強太陽風暴爆發(fā)期間,通常多次出現(xiàn)太陽耀斑和日冕物質(zhì)拋射情況的發(fā)生。前者將釋放高能電磁輻射,通過光速傳播,大約8分鐘左右就能抵達地球,后者將釋放亞光速高能粒子流,快則幾十分鐘,慢則1?3天左右抵達地球附近。

太陽風暴吹拂地球磁場形成的磁層

自伽利略發(fā)明望遠鏡以來,人類對太陽活動的監(jiān)測大約已有400年的歷史。隨著科學技術的發(fā)展,天基太陽觀測能力顯著提升。例如,美國宇航局和歐空局聯(lián)合發(fā)射的太陽與太陽風探測器(SOHO),可對太陽黑子活動、太陽風以及太陽內(nèi)部結構變化進行實時監(jiān)控。近日,歐空局又發(fā)布消息,將啟動拉格朗日計劃,打算在從未嘗試過的拉格朗日L5點開展太陽監(jiān)測活動,并預計在2025年左右建立相關預警機制。該計劃將重點圍繞太陽風暴開展,有效預測太陽風暴爆發(fā)周期,最大程度降低給地球帶來的負面影響。

太陽風探測器

歐空局(ESA)拉格朗日計劃L5觀測點

學術界通常利用太陽黑子相對數(shù)來表征太陽活動長期水平的高低,并以1755年太陽黑子數(shù)最少時作為第一個太陽活動周。在太陽活動中,其周期變化有時長達11年之久,但也有時短至幾分鐘的爆發(fā)。目前,太陽活動已進入第24個活動周期的末期,預計2020年1月前后將開始第25個活動周期,并將于2031年6月前后結束。在此期間,太陽活動水平較低,太陽風速也將處于較低水平,因此近期太陽活動相對平穩(wěn)。

太陽風暴給人類活動帶來嚴重影響

太陽風暴對人類生活造成的威脅與危害是多方面的。歷史上著名的“魁北克事件”是其中的一個例子。1989年正值第22個太陽活動周期的黑子數(shù)高峰年,僅在一個月內(nèi),太陽風暴就先后產(chǎn)生了約107次太陽X射線耀斑,其日冕物質(zhì)的拋射也高達數(shù)十次。太陽風暴的“席卷”,造成多起重大電力系統(tǒng)故障,加拿大魁北克省的大部分地區(qū)停電長達9小時以上,600萬居民生活受到嚴重影響。強烈太陽耀斑引起過39次強烈短波通訊突然騷擾,其中15次通訊部分中斷,24次全部中斷。

魁北克大停電事故中被燒毀的變壓器

太陽風暴產(chǎn)生的大磁暴還引起過多起航天器運行故障。累計曾有46例衛(wèi)星出現(xiàn)異常的記錄。例如,大磁暴引發(fā)美國國家氣象衛(wèi)星的信號中斷,同時也導致某系列導航衛(wèi)星長時間不能正常運作,迫使軍事系統(tǒng)跟蹤的幾千個空中目標需重新定位。

太陽風暴對航天器影響

據(jù)不完全統(tǒng)計,類似“魁北克事件”的災害性空間天氣事件每個太陽活動周期平均會出現(xiàn)幾起至十幾起。再如第23個太陽活動周期中發(fā)生的“萬圣節(jié)事件”(因正值西方的萬圣節(jié)而得名),造成全球短波通訊中斷,民航通訊出現(xiàn)故障;美國宇航局的火星探測衛(wèi)星奧德賽飛船上的觀測設備被粒子輻射徹底毀壞;我國北京、滿洲里等地區(qū)無線電觀測點短波信號也曾因此一度中斷。

肆虐無情的太陽風暴

隨著現(xiàn)代航天技術的迅猛發(fā)展,基于太空平臺的裝備系統(tǒng)和信息系統(tǒng)基層在太空活動中的應用愈加廣泛。隨之而來的是空間天氣對太空活動的影響范圍不斷擴大,影響程度也不斷加深。太陽風暴對以下幾個方面具有重要影響:

對航天活動產(chǎn)生影響。太陽風暴噴發(fā)出的高能帶電粒子可持續(xù)撞擊航天器表面,并造成航天器的輻射損傷。同時,大量的高能電子也會穿過電子器件,嚴重影響儀器發(fā)出的指令與數(shù)據(jù)圖像。據(jù)分析,當飛船在深空航行或航天員在艙外作業(yè)時,大約有十分之一的概率將受到致命劑量的高能帶電粒子輻射,由此可見其對航天活動產(chǎn)生的危害性。

對通信、預警、導航定位等產(chǎn)生影響。隨著太陽風暴的爆發(fā),短波無線電通信和預警雷達的可用頻帶會因電離層突然騷擾而變窄,衛(wèi)星微波通信也會因電離層閃爍而降低通信質(zhì)量,甚至信號中斷;GPS衛(wèi)星導航、定位誤差會因電離層暴而增至數(shù)十米到數(shù)百米。

對在軌航天器運行產(chǎn)生影響。太陽風暴導致高層大氣密度發(fā)生劇烈擾動,航天器飛行的實際軌道將嚴重偏離預測軌道,以至地面跟蹤站會“丟失”跟蹤目標。

積極防范,有效化解“太陽危機”

只要采取措施積極防范,空間天氣造成的危害是可以避免的。

監(jiān)測預報。加強太空災害天氣的監(jiān)測預報,發(fā)展監(jiān)測預報手段,建立災害天氣預報機制。比如在日地拉格郎日點建立空間天氣檢測站點,在低軌和高軌分別開展長期太空環(huán)境監(jiān)測,建立地面監(jiān)測和管理機構,形成太空災害天氣的監(jiān)測預報體系,形成監(jiān)測預報機制。

機理研究。根據(jù)太空災害監(jiān)測數(shù)據(jù),開展天氣環(huán)境研究,提高對空間天氣的認識水平;開展災害天氣對太空活動的影響研究,研究太空環(huán)境對航天器的影響機理;開展空間天氣對大氣密度、地球磁場等地球環(huán)境的影響機理研究。

重視防護。在現(xiàn)有認識水平的基礎上,綜合考慮技術難度和成本代價,研究太空安全裝備對災害天氣的規(guī)避措施,適度提高太空安全裝備的防護能力。

技術創(chuàng)新。開展太空災害天氣應對和防范技術創(chuàng)新,探索激光通信等新型空間通信手段,降低災害天氣對天基通信的影響。

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