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      2. 加快打造原始創新策源地,加快突破關鍵核心技術,努力搶占科技制高點,為把我國建設成為世界科技強國作出新的更大的貢獻。

        ——習近平總書記在致中國科學院建院70周年賀信中作出的“兩加快一努力”重要指示要求

        面向世界科技前沿、面向經濟主戰場、面向國家重大需求、面向人民生命健康,率先實現科學技術跨越發展,率先建成國家創新人才高地,率先建成國家高水平科技智庫,率先建設國際一流科研機構。

        ——中國科學院辦院方針

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        太陽打“噴嚏” 地球會怎樣

        2024-01-11 光明日報
        【字體:

        語音播報

        位于四川稻城縣的圓環陣太陽射電成像望遠鏡。新華社發

        2024年1月1日,我國“夸父一號”衛星成功記錄了第25太陽活動周截至目前最大的耀斑,再次刷新了第25太陽活動周最大耀斑的紀錄。太陽這顆離我們最近的恒星并非一成不變,太陽爆發有時候會嚴重影響地球周圍的空間天氣,進而影響人類的生活。

        太陽爆發影響人類生產生活

        空間天氣是指平流層以外的空間環境變化。跟日常天氣不同,空間環境變化主要受太陽活動影響。通常太陽爆發對空間天氣的影響有三種不同的情況,包括耀斑、太陽高能粒子和日冕物質拋射。

        太陽爆發,首先能影響到地球的就是太陽耀斑活動。出現耀斑時,太陽表面有一小部分會突然變亮。這種亮度增加通常在可見光的波段并不明顯,而是在其他波段上非常明顯,例如X射線波段。所以耀斑并不是肉眼可見的,在太陽的X光照片中,耀斑導致局部變亮,亮度遠高出其他區域。如果耀斑正好對著地球,耀斑發出的強烈輻射會擾動電離層,引發通信故障,導致飛機通信失靈以及GPS定位錯誤。由于耀斑的影響是以光速傳播的,到達地球只需要8分鐘,所以第一批到達地球的輻射,也被稱為第一波“攻擊”。

        跨入2024年,我國首顆綜合性太陽探測衛星“夸父一號”衛星,成功地記錄了第25太陽活動周截至目前最大的耀斑。這是一個X5.0級耀斑,同時還伴隨日冕物質拋射,這也再次刷新了第25太陽活動周最大耀斑的紀錄?!翱涓敢惶枴毙l星的三個載荷成功地跟蹤和記錄了這次爆發,將為太陽物理學家帶來加速高能電子的相關信息。綜合利用“夸父一號”衛星的觀測數據,同時結合國內外相關觀測設備提供的多波段數據,未來科研人員將圍繞此次X5.0級耀斑開展進一步的科學研究。

        太陽活動同樣會產生大量的高能粒子,這些高能粒子沿著磁力線傳播,如果方向正好合適,這些接近光速的太陽高能粒子最快十幾分鐘就能抵達地球,所以也被稱為第二重“打擊”。

        太陽高能粒子具有很強的穿透能力,對于空間設備和航天員等,都有很強的殺傷力。太陽高能粒子會對衛星產生破壞。這些高能粒子能夠穿透衛星設備表層,進入衛星設備內部,使內部產生強大的電壓差,從而造成擊穿損壞。這種損壞通常不可修復,也是衛星設計制造需要努力防護的。不止空間活動,太陽高能粒子甚至可能危害在地球極區飛行的乘客和機組人員的健康,所以在太陽活動期間,航空公司都會避免飛機飛越極區,而是采用其他的航線。

        對于地球來說,影響最大的還是第三波“打擊”——日冕物質拋射。太陽爆發時向外拋射出高速等離子體團。通常的太陽風速度為300到800公里/秒,但日冕物質拋射的速度通常在1000公里以上,最快能達到每秒3000公里,抵達地球只需要十幾個小時。這些從太陽上被拋射出去的等離子體團蘊含著巨大的能量,在抵達地球附近時和地球磁場相互作用,能強烈擾動地球的磁場,形成磁暴,同時影響空間和地面高緯度地區的環境,甚至干擾衛星通信和定位導航信號。

        磁暴會在高緯度地區的輸電線路上形成強烈的磁暴感應電流,這種感應電流導致變壓器過載,嚴重情況下甚至會損壞輸電設備。與地面原因導致的停電事故通常發生在一個小范圍內不同,由磁暴感應電流引發的停電事故通常發生在較大范圍,嚴重影響人類的生產和生活。

        磁暴會在地球磁層里產生大量的振蕩,這些振蕩會讓各種粒子加速,在地球附近空間形成粒子暴。由于相當多的衛星在地球磁層中運行,所以磁暴可能損壞衛星。幸運的是,人類進入太空時代以來,還沒有超級強烈的磁暴發生過,我們對此并沒有切身體會。

        除了對磁層形成干擾,磁暴還會引起大氣密度上升。曾經有衛星發射因此失敗——衛星通過測量大氣密度來確定自身高度,由于大氣密度整體上升,程序判定衛星一直沒有到達預定的開機高度,所以衛星一直處于保護模式,不能打開自帶的發動機調整軌道,最后在大氣層中燒毀。

        這個太陽活動周期很猛烈

        通常,太陽活動按照11年周期變化。從極小年開始活動逐年上升,在抵達峰值后下降,再回到下一個極小年。不過太陽活動并不嚴格按照周期變化,而且每個周期都不一樣。上一個太陽周從2009年到2020年,太陽活動非常稀少,幾乎沒有特別強烈的爆發。

        目前正處于太陽活動第25周期,從現在的太陽活動趨勢來看,這個周期很可能非?;钴S,比之前的周期猛烈。

        我們即將進入這個太陽周期的高峰期,太陽爆發將日漸頻繁劇烈。2023年12月,北京北部山區出現了極光的疾馳旋舞,“北京極光”話題一度登上熱搜。要知道,通常極光發生在地磁緯度的60°左右,高度可能在100公里到400公里左右,磁暴的強度必須足夠大,極光本身也要足夠亮,我們才有可能看得見。由此可見,此次的太陽爆發有多大!

        如前所說,太陽爆發可能會給人類的生產和生活造成很大的影響。航天器、衛星應有防范空間天氣災害的預案。例如,在太陽爆發來臨之際,可以讓一些容易受到攻擊損壞的電子線路停止工作,避免單粒子事件導致的錯誤命令或者代碼。

        此外,航天器可以增加一些對抗高能粒子輻射的保護裝置。例如,加裝防護罩。但現代社會的航天活動日益頻繁,尤其是商業航天活動。而航天器也在朝小型化方向發展——在總體重量接近一噸的航天器上,加上十幾公斤甚至幾十公斤重的金屬保護層,可以安全有效地防止高能粒子的影響;但小型航天器自身的重量只有十幾公斤,甚至幾公斤,顯然無法加裝厚重的金屬保護。那么,就需要更好地了解空間天氣狀況,采用更加靈活有效的機制,來防范空間天氣的危害。

        總而言之,近幾年,不論通信或是乘坐飛機出行,人類會更加頻繁地面臨空間天氣帶來的影響。展望更長遠的未來,人類將進入星際旅行時代,這也就意味著,空間天氣預報將更加重要。

        我國正構建空間天氣預報“天地網”

        應對和防范空間天氣導致的問題,最重要的是做好空間天氣的預報。

        太陽耀斑無法預測,但太陽表面的活動區都能觀測到,當這些活動區面對地球時,都可以做適當的預警。雖然,到目前為止,導致日冕物質拋射發生的原因仍然還是一個未解的謎,但是日冕物質拋射一旦離開太陽,通常能被地面或者空間望遠鏡發現。

        理論上講,拋射出的等離子體團是否到達地球、什么時間到達地球都能被預報。只是現在的模型尚不能準確預報,還需要不斷完善,才能更加準確地預報磁暴發生的時間和等級。

        在空間天氣預報方面,我國已采取了很多措施。比如子午工程。子午工程一期于2008年開工建設,2012年建成,利用東經120°子午線附近,北起漠河,經北京、武漢,南至海南并延伸到南極中山站,以及東起上海,經武漢、成都,西至拉薩的沿北緯30°緯度線附近現有的15個監測臺站,建成一個十字形的多種手段監測網絡。子午工程二期于2019年開工建設,在一期工程的基礎上,新增16個臺站。它們將和一期的監測臺站一起,組成一個“井”字形的監測網絡。其中,稻城太陽射電成像望遠鏡(DSRT)是子午工程標志性設備,它采用原創性的圓環陣列構型和中心定標總體方案,突破了單通道多環絕對相位定標等核心關鍵技術,實現了626路接收鏈路的高精度定標和實時自動補償,率先建成“射電相機”。稻城太陽射電成像望遠鏡調試期已開展長期穩定太陽射電成像成譜監測,驗證了太陽監測的全部指標。利用這個望遠鏡,我國科學家還開展了我國首次脈沖星實時成像觀測;實現我國首次雙站雷達成像觀測;與歐洲低頻陣列(LOFAR)成功開展聯合觀測,實現交叉驗證。

        此外,我國還發射了幾顆太陽監測衛星,例如“夸父一號”“羲和號”,它們也將在空間天氣預報方面大顯身手。其中,“羲和號”是我國首顆探日衛星,2021年10月14日發射升空。幾年來,“羲和號”產生了超過400TB的高質量科學數據和一系列原創性科研成果。目前,我國正在開展“羲和二號”日地L5太陽探測工程論證,根據論證方案,“羲和二號”將爭取于2026年左右發射至日地L5點,對太陽進行立體探測——日地L5點,即日地第五拉格朗日點,距離地球約1.5億公里,尚為國際探測的空白區域?!棒撕投枴卑l射后,可深入探索太陽活動區磁場的起源和演化,研究太陽爆發的傳播規律和對地響應,還可為實現空間天氣及時預警及準確預報提供關鍵數據和技術基礎。

        天地一體,將極大地促進我國對太陽爆發的研究,更好地了解空間天氣變化的源頭,更加準確地預報空間天氣,有效應對空間天氣可能帶來的災害。

        (作者:劉勇,系中國科學院國家空間科學中心太陽活動與空間天氣國家重點實驗室研究員)

        打印 責任編輯:侯茜

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