基本介紹
- 中文名：空間天氣預報
- 外文名：Space weather forecast
意義,作用,對太空中高能輻射的預防,防止太空飛行器因地磁場變化,減少航滅器遭受的大氣阻力,防止通訊受到磁暴等情況的影響,預報內容,太陽質子事件預報,輻射環境預報,電離層擾動預報,在軌大氣密度預報,空間碎片預報,空間天氣預報機構,國際空聞環境服務組織,美國國家空間天氣預報中心,中國國家空間天氣監測預警中心,其他預報機構,發展進程,
意義
日常生活中，我們每天都會接觸到不同的天氣情況。通常所講的天氣實際上是指地球大氣層的氣候，一般包括陰睛、降水(雨、雪等)、冷暖、乾濕和風向、風級等指標。但是在宇宙空間，天氣狀況及其指標則與地球天氣幾乎完全不同。例如，空間天氣所指的風是太陽風，它是一種來自太陽表面的高速運動的電漿流；空間天氣中的“雨”是來自太陽的帶電粒子流；另外，空間天氣沒有“冷曖”之分，只有太陽的紫外線和X射線輻射的變化。
空間天氣和地球天氣都有好、差、劣之分，但含義又完全不同。在地球天氣中，晴朗、溫度和濕度適中、有些微風一般被視作理想的好天氣。而在宇宙空間，“好”天氣是指太陽、星際空間磁層、電離層、高層大氣處於平靜的狀態，有利於運載火箭正常發射、衛星正常運行等，如果出現強的日冕拋射、高速太陽風、磁暴、電離層的騷擾，則屬於典型的惡劣空間天氣了。可見，空間天氣主要是指太陽表面太陽風、磁層、電離層和熱層瞬時或短時間內的狀態和變化。
惡劣的空間天氣會引起衛星運行、通信、導航以及電站輸送網路的損害，甚至造成瞬間崩潰，所以需要儘可能進行預報並及時避免。空間天氣預報的主要內容：一是太陽活動，如太陽黑子數、耀斑、高速太陽風等；二是行星際空間天氣，如太陽風狀態、行星際磁場的大小和方向等；三是地球空間天氣，如磁暴、高能電子暴、地磁
活動、極光現象、電離層閃爍等。
即便是我們日常生活中的天氣預報，也難以做到百分之百的準確，所以進行空間天氣預報就更不容易了。空間天氣預報最基本的方法有：經驗預報法，即以統計關係和經驗為主的傳統預報方法；人工神經網路法，通過模擬神經系統對外界的反應過程來預測空間天氣；物理方法，即通過建立被預報內容的變化動態模式來進行預測。
作用
空間天氣預報的具體作用體現在以下幾個方面：
對太空中高能輻射的預防
假如把太陽比喻成一個核子彈，那么在它周邊所有的行星也好，物體也好，每時每刻都會遭到高能粒子放射性的輻射。當然，我們的飛船船艙和航天員的太空衣是有抗輻射能力的，但是太陽活動活躍的時候，高能輻射要比不活躍時高好兒個數量級。因此選擇太陽活動較弱的情況下發射太空飛行器對航天員，特別是對進行太空行走的航天員是最好的保護。2004年，美國國際空間站的航天員在一次準備出艙作業時，得知太陽活動頻繁，就取消了計畫。此外，較小的高能輻射對於飛船等設備也是一種有效的保護。
防止太空飛行器因地磁場變化
太陽噴出的粒子流形成一種像風的流體，被稱為“太陽風”。太陽風把地球磁場吹成像一滴水一樣，水滴衝著太陽，尾巴很長——這就是地球磁場形狀。通常情況下，地球磁場在太陽磁場和其他太陽能量作用下，保持著相對平靜的狀態。但是太陽如果爆發，地球磁場會被干擾而紊亂，這時候地球磁場就會發生大的變化。太空飛行器在這樣變化的磁場中，其姿態也會受到影響，導致運動方向、角度姿態等問題出現。所以選擇太陽比較平靜，地磁場變化較小的時候進行飛船發射是相當必要的。
減少航滅器遭受的大氣阻力
通常大家認為太空是真空的，其實只有到達一定高度以上才能稱為真空。大氣一直延伸到幾百千米以上，高度越高，密度越低。而實際上在六七百千米以下的高度，大氣對於太空飛行器都是有影響的。“神舟七號”的飛行高度是314千米，在這樣的高度下，大氣是會產生一定阻力的。由於阻力作用，軌道每天都會下降幾米到幾十米，所以在設計中飛船每過一段時間都必須進行維護。而一次大的太陽活動會使大氣密度聚集上升幾個數量級，這樣飛船受到的阻力也有幾個數量級的增加，這就導致飛船軌道下降速度加快，而原本設計的每天維護的高度不能滿足這個變化。美圍的國際空間站，有一次遭遇這種空間變化以後，每天下降300米，以至於不得不專門發射一個飛船上去補充飛船燃料。
防止通訊受到磁暴等情況的影響
飛船要上傳、下傳數據，執行軟體程式，包括航天員與地面的聯繫，都離不開通訊。磁暴、電離層暴等都會影響電磁波的波動和傳播方向，從而導致通訊不暢或中斷。因此一個穩定的傳播介質是通訊正常的重要保障。
預報內容
針對載人航天任務特點及對空間天氣保障的需求，空間天氣預報有5個方面的關鍵技術。
太陽質子事件預報
太陽質子事件指在地球軌道附屬檔案能量大於10MeV、質子流量超過10cm/(s·sr)的事件，是太陽高能粒子事件的一種，也是太陽宇宙線的重要成分，通常伴隨太陽大耀斑出現。按照質子能量大小，太陽質子事件分為兩類，能量大於500MeV的稱為相對論事件，小於500MeV的非相對論事件；按照質子流量的峰值大小，太陽質子事件又分為弱(峰值流量小於100cm/(s·sr))、中等（介於兩者直接）和強(峰值流量大於1000cm/(s·sr))太陽質子事件。在強太陽質子事件中，質子瞬時最大強度可超過正常銀河宇宙線3～4個數量級，當這種高能質子到達地球附屬檔案並轟擊衛星時，可導致星載儀器設備工作性能的嚴重損害；同時，太陽質子事件對載人航天活動存在很大危害，特別是對出艙執行任務的航天員，因為當人體受到的輻射劑量超過300~ 500tera( 1tera=100erg/g)時，就有致命的危險，而一次強質子事件的輻射劑量，在1 g/cm的防護層下可達1000tera以上。
作為災害性空間天氣的“源”，對太陽質子事件的預報是高影響天氣專項保障的基礎。在太陽質子事件預報保障中，首先依據太陽黑子群特徵、冕洞的重現性等，預報太陽耀斑爆發機率和日冕物質拋射發生機率，進而根據黑子群所處太陽表面上的位置，預報太陽質子事件發生機率。主要提供一個月、一周以及一天的太陽質子事件發生機率預報。
對太陽質子事件的預報首要考慮的是太陽耀斑爆發。太陽耀斑爆發時，從耀斑區域輻射出大量的高能帶電粒子，或者伴隨日冕物質拋射輻射出大量的高能粒子，如果這些高能粒子的運動方向朝向地球，那么在耀斑爆發或日冕物質拋射爆發後不到1小時，地球軌道附近就可觀測到高能質子通量的突然增加。與太陽耀斑相關的太陽質子事件常常是在耀斑發生幾十分鐘後開始的，很短時間內質子通量就可以達到最大值。還有一些太陽質子事件與太陽耀斑爆發無關，而是由日冕物質拋射事件(CME)引發，雖然此類事件中有的質子通量激增的時間較短，但也有些質子事件峰值通量較高，而且因其突發性，對出艙航天員的威脅很大。觀測和研究發現，太陽質子事件發生後，一般會發生大地磁暴，受到地磁暴影響的磁層帶電粒子分布會發生重大變化，而大的地磁暴幾乎總是伴有電離層暴。因此太陽耀斑爆發是預報預警太陽質子事件及地磁暴、電離層暴等空間天氣事件的先兆。
輻射環境預報
在外空間，對航天員威脅最大的是空間輻射，尤其對於出艙活動的航天員。
因此，在空間輻射的保障中，需要選擇輻射通量較低的空間，避開低軌道太空飛行器都要遭遇的輻射通量較高的輻射帶（南大西洋）異常區；同時，還要選擇沒有太陽爆發活動的時段；這些都需要準確的輻射環境預報，其中最重要的是航天員出艙時機的輻射劑量預報。
通過對航天員輻射劑量的定量計算，為選擇航天員出艙時機提供保障。航天員輻射劑量定量預報的計算，首先根據衛星實測的輻射環境分布，實時推算並預報飛船軌道上輻射帶異常區的高能粒子通量；進而根據飛船和航天服的結構，推算艙內和航天服內部的高能粒子環境；最後計算和預測航天員遭受的輻射劑量，計算航天員重要器官中的吸收劑量，並評估可能對航天員健康導致的影響。在航天員出艙期間實時分析航天員可能遭受的輻射損傷，為出艙活動提供實時輻射安全保障。
通過計算飛船軌道高度上的粒子分布區域，詳細分析如下輻射環境信息：
(1)飛船所在位置不同能段的粒子通量；
(2)飛船當前所受輻射通量；
(3)飛船是否處於南大西洋異常區中；
(4)未來一段時間內艙內航天員的晶狀體和造血器官所受輻射和吸收劑量；
(5)航天員出艙是否安全；
(6)當天飛船進出輻射帶的時間及所受最大輻射通量預報；
其中，針對航天員出艙活動這一保障關鍵節點，需研發輻射帶異常區環境推算模式、太陽高能粒子分布模式、衛星三維禁止快速分析模式、高能粒子傳輸模式、總劑量計算模式、吸收劑量告警模式等，對航天員在艙內和艙外所遭受的輻射劑量、吸收劑量進行精確的定量計算。在設定航天員輻射標準時，主要計算航天員未來一段時間內（時間段長度主要由出艙活動持續的時間確定）晶狀體和造血器官所遭受的輻射劑量和吸收劑量，然後參考國際輻射醫學標準，對可能造成危害的劑量進行告警；並通過對輻射劑量和吸收劑量的預報及時更新，從空間輻射安全的角度進行探討，對航天員每日可出艙視窗時間做出定量預報。電離層擾動預報
電離層擾動預報
主要包括對突然電離層騷擾(SID)和電離層暴的預報。
突然電離層騷擾 SID)預報是針對測控通信條件而進行的，由於突然電離層騷擾由太陽耀斑引起，因此其預報主要基於對太陽活動的預報結果而開展。
電離層暴通常指發生在電離層F層的全球擾動事件，對其預報主要包括：
(1)月出現機率預報。主要基於一部分地磁暴存在有大約27天的重現性，而大的地磁暴通常會引起電離層暴的統計規律，因此可提前約1個月預測該類電離層暴出現機率。
(2)提前2~3天電離層暴出現機率、影響效應的預報。
(3)地磁暴發生後半日至數日，電離層暴特徵的短期預報和實時預警。
在軌大氣密度預報
由於所有的地球低軌道飛行器( LEO)都運行在地球高層大氣範圍內，高層大氣密度的擾動造成飛行器迎風阻力的變化，對其軌道及壽命有顯著影響。太陽劇烈活動期間，會引起大氣溫度和成分的綜合效應，進而導致高層大氣密度發生數量級的變化。此外在大地磁暴期間，通過高能帶電粒子沉降引起的動力學加熱和源於磁層的電場耗散引起的焦耳加熱，會造成大氣極蓋區和極光帶高層大氣強增溫，並驅動大尺度風體系，通過風場進行熱傳輸，形成全球範圍的高層大氣溫度增加，進而在短時間內引起高層大氣密度和成分的劇烈擾動。
對飛行器而言，高層大氣密度增大的直接影響是導致其風阻呈指數量級增加。神舟飛船的軌道高度為350km左右，這裡的大氣密度大約是風雲三號A星高度( 870km)上的3000倍，因而大氣密度變化對飛船的影響要比衛星大得多，尤其在有大地磁暴的情況下，飛船軌道可能會發生突降，導致跟蹤系統丟失目標等嚴重後果。
以空間站為代表的載人航天軌道太空飛行器，軌道預報精度主要受大氣阻力的影響，而大氣密度模型不準確是影響軌道預報精度的首要誤差源。我國自1992年啟動載人航天這一重大工程以來，測定軌中一直使用的是國外公開發布的大氣密度模型，有的模型公布的時間已超過三十年。這些模型的誤差在平靜期始終保持在15 010左右，磁暴期甚至超過100%。在太陽活動相對平靜的背景下，我國近地軌道太空飛行器軌道預報精度滿足工程要求。但是，空間交會對接及載人航天空間站對測定軌精度提出了更高要求，而這些空間活動的時間可能會與太陽活動峰值年份相遇，相對於國際領先的定軌精度水平，提高載人航天軌道的大氣密度模型精度成為提高軌道預報精度的關鍵科學問題。因此，逐步建立載人航天空域高精度大氣密度模型是空間天氣保障技術的關鍵一環。
空間碎片預報
載人航天和空間碎片問題有著密切的關係，是空間碎片研究的主要推動力之一。航天員作為載人航天活動的靈魂，也受到了空間碎片的威脅。速度僅為10km/s的0.5mm大小的碎片就可以穿透標準的航天服，造成人員傷亡，是出艙活動的重要威脅。
對空間碎片的預報，是根據飛行體的軌道運動理論，綜合碎片探測數據可建立碎片模式，用以計算碎片通量和密度的分布，及其與太空飛行器碰撞的機率，預報碎片的軌道及壽命。
空間天氣預報機構
國際空聞環境服務組織
成立於1996年的國際空間環境服務組織( ISES)是最早開展空間天氣業務的全球性非官方機構，其前身是國際無線電計畫和世界日服務組織。1962年，由國際無線電科學聯盟計畫(IU)和世界日服務組織(WDS)合併成立了IUWDS。其中國際無線電科學聯盟計畫(IU)早在1928年就發起了電離層探測數據的國際快速交換服務。世界日服務組織( WDS)作為國際地球物理年計畫的組成部分成立於1959年。
國際空間環境服務組織的使命是，鼓勵並促進國際近實時空間環境監測和預報，以便降低或減緩空間天氣對人類活動的危害。
國際空間環境服務組織總部設在美國，下轄多個區域預警中心( RWC)，如北京、莫斯科、新德里、渥太華、悉尼、東京等。各區域中心通過數據交換形成了一個全球性的網路，提高了空間災害性天氣的警報預報水平。服務功能較為完備的主要是美國的空間天氣預報中心( SWPC)、澳大利亞和日本的警報中心。各中心對獲得的數據進行系統整理，建立起各具特色的資料庫，同時還利用所掌握的數據資料獨立或與其他研究機構合作，進行預報方法研究和預報結果評估。研究領域涉及太陽活動、行星際空間和太陽風、地磁活動、電離層及高層大氣等。該組織定期召開工作會議。
美國國家空間天氣預報中心
美國國家空間天氣預報中心( SWPC)位於科羅拉多州的博爾德，是美國商務部( DOC)、大氣和海洋局( NOAA)、國家天氣服務處(NWS)下轄的9大環境預報中心之一。其前身是成立於1965年的空間環境實驗室( SEL)，1995年更名為空間環境中心(SEC)，2007年10月又更名為空間天氣預報中心。美國國家空間天氣預報中心還是國際空間環境服務組織(ISES)的積極推動者，並且是國際空間環境服務組織的全球警報中，心，同時也是北美區域的預警中心。
基於國家現代化發展的需求，為保障國家空間開發和高技術系統安全，2002年中國國家空間天氣監測預警中心掛牌成立，並啟動業務試驗，這標誌著中國空間天氣業務從科學研究逐漸走向日常社會公益服務的前台。2004年7月1日起，正式開始業務運行，向有關部門和社會公眾發布產品。
國家空間天氣監測預警中心是國家級、科技型、公益性業務單位，主要任務是規劃中國氣象局地基空間天氣監測台站和天基空間天氣監測布局，提出監測設備應該滿足的技術指標；建立監測數據的實時收集與處理系統和空間天氣資料庫系統；為我國航天活動安全、地面技術系統安全以及國家安全服務，為導航、通訊、電力等套用部門服務；為科學研究部門提供科學的觀測數據；開展空間天氣監測、預報、服務等方面的研究工作，並進行相應的產品開發。
國家空間天氣監測預警中心的組織架構和業務運作很大程度上借鑑了美國國家空間天氣預報中心( SWPC)的成功經驗。通過空間天氣業務建設計畫和行業專項建設計畫，積極推動與國內相關大學和研究機構的合作。
國家空間天氣監測預警中心建設的近期目標是，到2010年，完成地基太陽光球色球望遠鏡、廈門和喀什地基電離層垂直探測系統、酒泉中頻雷達系統和珠三角電離層閃爍監測網建設；開展“風雲三號”和“風雲二號”後續星的空間天氣監測系統建設；建立初步的信息和技術保障系統；建立包括長期預報、中期預報、短期預報、警報、現報在內的完整預報體系，根據用戶的需求豐富產品類型，初步建立起空間天氣服務體系。面向航天、衛星、通信、廣電、電力、石油等重點部門或行業，建立空間天氣專業服務平台。
除上述機構外，日本、俄羅斯、法國、澳大利亞等國家，也作為國際空間環境服務組織的區域預警中心，開展了空間天氣預測預警工作，但大多依託空間物理或氣象相關研究機構，沒有建立專門的業務機構。
歐洲空間局( ESA)根據航天活動的需要，較早開展空間天氣業務。1996年歐洲空間局就召開了專門的空間天氣圓桌會議，1999至2001年開展了空間天氣計畫可行性研究，2000年成立了空間天氣工作組( SWWT)，2003年正式制訂了空間天氣套用示範計畫( SWAPP)，建設了專門的空間天氣入口網站一歐洲空間天氣網路( SWNET)。但歐洲空間局的空間天氣業務建設採用商業招標方式實施，至今沒有成立專業的空間天氣業務機構。
中國科學院空間科學與套用研究中心、國家天文台、中國電子科技集團22研究所和中國科學院地質與地球物理研究所於1992年聯合加入了國際空間環境服務組織( ISES)，成為其下屬的10個區域警報中心之一，即北京區域警報中心。這些單位已積累了一些業務保障經驗，制訂了一些業務保障規範，形成了一定規模的業務保障隊伍。
中國科學院空間科學與套用研究中心空間環境預報研究室在中國載人航天工程的支持下，率先成立了中國的業務型空間環境預報機構，開展了多年的空間環境預報和效應分析服務，為“神舟”飛船航天飛行提供了空間環境預報保障。
2003年底，中國科學院整合院屬空間天氣科研力量，成立了非法人單位——中國科學院空間環境研究預報中心。
發展進程
我國的空間天氣預報是伴隨我國人造衛星的發射而逐步發展起來的。發射第一顆人造衛星“東方紅”時，中國科學院國家天文台利用太陽光球觀測到的黑子資料和早期的射電觀測資料發布太陽活動預報。在隨後的我國衛星發射期間，太陽活動預報主要依賴國家天文台，空間環境預報則主要是由中國科學院空間科學與套用研究中心來承擔的。
1992年我國開始實施載人航天計畫。載人航天計畫帶動了我國空間天氣預報和空間天氣研究的發展。近幾年，空間環境預報中心、國家天文台、南京大學天文系等單位相繼開展了大量的研究，並取得了一系列的成果。1993年春天中國科學院空間科學與套用研究中心組建了空間環境研究室，隨後在該研究室的基礎上組建並成立了中國科學院空間環境預報研究中心，主要承擔載人航天的空間環境預報工作。
20世紀90年代後期，中國氣象局提出了開展空間天氣監測預警的業務計畫，2002年初設立了“空間天氣監測預警示範項目”。2002年中央機構編制委員會辦公室批示同意中國氣象局組建國家空間天氣監測預警中心。2004年7月1日，中國氣象局國家空間天氣監測預警中心投入業務運行，正式開始發布空間天氣預報。預報的內容包括太陽活動預報、地磁活動預報、電離層預報和中高層大氣預報。國家空間天氣監測預警中心已建立了空間天氣監測預警業務流程，建立了空間天氣監測預警服務系統，初步具備了根據各種空間環境探測數據監測和預警空間天氣的業務能力。
近國家空間天氣監測預警中心正在逐步建立地基和天基空間天氣觀測體系和完善空間天氣預警服務系統，並為多顆氣象衛星的發射、鑫諾衛星的發射、神舟六號、神舟七號載人飛船從發射到返回的全程，提供了準確的空間天氣監測預警服務。國家空間天氣監測預警中心還開展了衛星故障分析方面的業務，並開始為我國衛星用戶提供衛星故障的空間天氣起因分析服務。
2021年10月14日18時51分，我國在太原衛星發射中心採用長征二號丁運載火箭，成功發射首顆太陽探測科學技術試驗衛星“羲和號”，實現我國太陽探測零的突破。這標誌著我國正式步入“探日”時代。衛星執行經理兼副總師陳昌亞解讀了“羲和號”衛星進行太陽探測的意義，“我們國家現有的空間天氣預報都是從國外獲取的，獲得的數據較為延遲，而且真實性難以保證，非常被動。‘羲和號’這樣的太陽探測衛星接續被送上天后，我國將可以自主掌控相對精準的空間天氣預報，不受他人掣肘。”陳昌亞說，“本次雙超平台驗證的意義重大，後續甚至可以將‘羲和號’做成系列衛星，或大或小。太陽探測意義重大，未來還需發射更多的太陽探測衛星，及時掌握更多太陽信息，完善我國空間天氣預報的精度、準度。”
