王勁松 中國氣象局研究員，博士生導師。主要從事空間物理和空間天氣監測預警等方面的研究。曾獲中國青年科技獎等獎勵，入選新世紀百千萬人才國家級人選、國家萬人計劃科技創新領軍人才等人才計劃，享受國務院特殊政府津貼。現已發表學術論文130餘篇。
故事要從159年前說起
空間天氣是如何產生的空間天氣對人類的影響對於空間天氣，我們能做什麼？
在開始今天這個題目的敘述之前，我們先設想這樣一個虛擬場景：
三伏天的夜間突然醒來的你，發覺異常悶熱，這才發現室內的空調並沒有在工作，你摸索著抓起空調遙控器按下開關，但是無論怎麼按，仍沒有聽到那期待的空調製冷聲。
你覺得奇怪了。然後去開燈，燈沒亮；按開手機後，你發現，WiFi斷了，手機信號也沒了……
這下你清醒了過來，你走到窗邊拉開窗簾，發現外面天空泛著紅光，而地上則是一片黑暗與寂靜。緊接著就是一片嘈雜，一個個驚慌的家庭發現不光供水、供電中斷了，連通信、網絡、信息系統都已無法使用。
到這裡，我們這個故事告一段落。實際上，以上所陳述的，並不完全出於科學幻想，其中一部分內容是我們人類歷史上曾經真實經歷過的。
1859年9月1日，英國天文學家卡林頓在對太陽黑子進行常規觀測時發現了異乎尋常的現象，太陽黑子週圍突然出現極為明亮的條狀白光，持續數十秒後逐漸減弱。數分鐘後，英國格林尼治天文臺和基烏天文臺都監測到地磁場出現了劇烈波動。17個半小時後，地磁波動強度超出儀器測量範圍。
挪威：北角絕崖炫麗極光
與此同時，全球多地電報臺站的操作員反映設備異常，發報機自身在閃著火花，電線發熱甚至被融化。而平時只在南北極地區才能見到的極光，一直延伸到了古巴和夏威夷，人們都震驚於夜空中詭異的紅色。
值得注意的是，在我國的歷史文獻中，也能找到這次事件的蹤跡。清代《獲鹿縣志》記載：“咸豐九年（公元1859年）七月夜，紅光起於西北，亙於東北，經三夜始散。”
這是迄今為止人類遭遇的最強的一次太陽風暴。後來人們也稱此事為“卡林頓事件”。某種程度上說，我們應該為這場自然災害“提前”159年爆發而感到幸運——因為當時人類的科技水平還不足以將太陽風暴巨大的破壞作用完全展示出來。
而159年過去了，如果科技發達的人類不重視此類災害，那麼，則很難說未來的我們是否依然會“延續好運”。
那麼，這種與地球上的風雨雷電迥然不同的災害是什麼呢？為了解答這個問題，我們今天就來共同探討一個相對陌生的概念——空間天氣。
空間天氣是如何產生的
地球上生命的存在，依賴於太陽的存在。如果太陽消失不見，不出幾個月，地球上百分之九十以上的生命都將無法存活。而正是這個給我們光和熱的太陽，卻經常會狂躁不安，使得看似寧靜而空虛的太空中充滿各種變化和衝突。如同地球大氣中存在風雨雷電一樣，太陽的躁動會導致太空中存在一種特殊的“天氣”現象——空間天氣。
太陽距離我們約1.5億公里，它除了一刻不停地向外釋放著光和熱之外，還釋放出大量的看不見的微小粒子，著名科學家帕克給了這些粒子流一個極其文藝的名字——太陽風。太陽風充盈著整個太陽系，我們的地球和它的行星兄弟們實際上就浸泡在太陽風之中。太陽風為空間天氣提供了基本的背景，太陽的其他活動則導致空間中風暴的出現。
所謂太陽的其他活動，與太陽黑子有深刻的聯繫。人類首個黑子記錄是公元前28年我國漢朝時期的一次觀測，而在伽利略使用望遠鏡觀測太陽200多年之後的1843年，德國天文愛好者施瓦布發現太陽黑子的多少存在一個大致11年的週期。科學家規定，1755年開始算太陽的第1個活動周，這樣我們當今就處在第24個太陽活動周的末期。後來，科學家又發現，與太陽黑子的出現和多發相伴隨的還有太陽表面一些地方突然的增亮，即太陽耀斑，也就是卡林頓看見的黑子旁邊白色的亮光。另外，在日全食的時候，人們可以看見被月球遮住的太陽“戴著一頂皮毛帽子”，那實際是太陽的外層大氣，叫作日冕。進入太空時代後，人類在衛星上用擋板製造了人工日全食，結果驚奇地發現日冕有時會像火山噴發一樣向太空拋射大量的物質，即日冕物質拋射。
2014年10月21日，河南省鄭州市，太陽表面出現巨型黑子，霧霾中肉眼可看到
漸漸地，人類認識到，太陽黑子的週期同時也是太陽活動的週期。在太陽活躍的時候，太陽會通過耀斑、日冕物質拋射等多種爆發活動讓太陽風中出現能量和物質的狂飆，媒體界形象地稱之為“太陽風暴”。
地球浸泡在太陽風中，因此太陽上出現爆發活動，地球就有可能遭受到太陽風暴的襲擊，襲擊一共會持續三輪。
而地球賴以抵禦太陽風暴的裝備只有兩個：磁場和大氣。地球磁場能夠使得速度不是特別高的帶電粒子減速乃至止步於地球大氣之外；而大氣則像防彈衣一樣硬生生地承受磁場不能阻擋的攻擊，攻擊能否達到地面，則取決於攻擊自身的能量。
太陽對地球的第一輪襲擊，是太陽耀斑發射出的電磁輻射，它們以每秒30萬公里的速度，只需要8分鐘多一點兒就跑完日地之間1.5億公里的距離。地球磁場對太陽耀斑導致的激增的X射線、紫外射線、射電波毫無辦法，這些輻射直接進入地球大氣，所幸地球大氣能吸收大部分能量。
太陽的第二輪攻擊是隨後而至的高能帶電粒子流，這些粒子的速度接近光速，會在太陽爆發以後大約幾十分鐘到十幾小時內到達地球附近的空間。這些高能粒子會直接轟擊太空中的設備和航天人員，而通常的防護手段都難以抵擋，有“太空殺手”之稱。在受到地球大氣的盡力阻擋之後，還是可能有一部分粒子直接轟擊到地球表面。
第三輪攻擊則是日冕上拋射出來的物質，以每秒鐘幾百到兩千公里以上的超音速撲向地球，它們到達地球大約需要花費2~4天的時間。它們首先和地球的磁場發生相互作用，使得地球磁場發生劇烈的擾動。而沒有被地磁場擋住的物質，則通過各種迂迴的渠道，最終順著地磁場向地球兩極注入。這些粒子轟擊地球極區大氣，就如同老式電視機中陰極射線轟擊熒光屏一樣，將極區高空大氣轟擊至發光，從而產生絢麗的極光現象。
不過，並不是每一次太陽風暴的發生都會影響地球。太陽風暴通常發生在太陽的不同部位，有的直指地球，但更多是指向地球以外的別的區域。而且即便是指向地球的太陽風暴，它在向地球行進的過程中，通過與複雜行星際空間結構的相互作用，也會發生偏轉，造成太陽風暴運動方向改變。這種不確定性，也是目前空間天氣事件難以預報的原因之一。
2015年藝術家所繪的太陽風暴擊中火星概念圖，顯示了太陽風暴擊中火星並使火星產生極光的場景。
簡單地講，空間天氣就是太陽的三輪攻擊和地球的頑強抵抗。實際上，除了航天員、正在穿越極區的飛機空乘人員外，人類一般無法直接感受到太陽風暴的影響。因此，雖然太陽風暴的存在和太陽的存在一樣久遠，但在電氣化之前，人類除了能看見黑子、耀斑和極光外，無法感知空間天氣的存在。
但是，當人類技術發展之後，那些從太空攻入地球的能量和物質，以及地球磁場和大氣在抵抗中出現的各種變化，則會通過現代科技系統最終影響到人類賴以生存的基礎設施。
空間天氣對人類的影響
有學者認為，空間天氣造成的災害，可以比喻為人類的“富貴病”，也就是“越先進的越脆弱”。換言之，人類越先進的技術系統，就越會受到太陽風暴的影響。而隨著現代社會的科學技術進步和經濟社會發展，人們的生活水平不斷提高，空間天氣對人類活動的影響自然也就越來越大了。也就是說，同一次太陽風暴，可能造成某些發達國家和地區的巨大經濟損失，但對一些欠發達國家和地區來說，可能絲毫感受不到。
歷史上首次被記載在案的空間天氣損害技術系統事件，發生在1847年3月19日。那一天，英格蘭電報局的發報員突然發現電報針自發地偏轉了方向。同年9月，當人們又一次發現電報針自發偏轉時，同時也觀測到了極光。1859年8月28日到9月2日，北半球連續出現了極光現象，而此時，加拿大各個電報站間的通信完全中斷。在第二次世界大戰期間，英軍一支部隊在深入敵後時突然與總部失去了聯繫，無線電操作員以為是他們攜帶的高頻無線電通信設備遭到了敵人的破壞，整支部隊處於極度緊張狀態，差一點做出盲目突圍的行動。而事後才發現，這次通信中斷是由惡劣的空間天氣造成的。
實際上，當人類走到21世紀的今天，經驗和理論都已證實，空間天氣在航天、航空、通信、導航、電力等各個領域都會產生影響。太陽噴發出的大量帶電粒子會直接威脅環繞地球運行的航天器和航天員。這些粒子可以導致航天器表面的元器件損壞，使太陽能電池板和光學元件老化，造成嚴重的航天事故。
統計表明，國內外人造衛星故障中有大約40%都與空間天氣條件有關。
太陽風暴爆發期間，航天員可能會遭遇到嚴重乃至有生命危險的輻射劑量。而在高緯度地區飛行的人員，則可能遭受更高劑量的輻射威脅。1989年9月太陽風暴期間，美國亞特蘭蒂斯航天飛機上的宇航員看到高能粒子轟擊視網膜引起的閃光，眼睛受到嚴重刺激，不得不退回到飛船艙內；同時，在巴黎與華盛頓之間飛行的協和式超音速飛機上的輻射監測器第一次超過了預警水平，飛機上的人員受到的輻射劑量比平時增加了6倍，相當於進行一次胸部X光檢查所受到的輻射劑量，超過了警戒線。
2010年8月9日消息，NASA公佈了這張由太陽動力學觀測衛星拍攝的太陽表面圖片，清楚顯示了太陽當天的活躍運動，包括C3級太陽耀斑（左上部白色區域），太陽風暴（右上波浪狀結構），恆星表面的複雜磁現象，大規模的日冕震動，射電爆發和拋射等。
太陽風暴導致的地球磁場劇烈變化，被稱為地磁暴。地磁暴發生時，快速變化的地球磁場會在輸電線路上產生感生電壓和感生電流，感生電壓和感生電流在數百、上千公里的輸電線上不斷積累，可以累加到帶來災難的程度。1989年3月13日加拿大魁北克地區的停電事件，就是地磁暴引起輸電線路上出現額外的電流，導致一個巨大的中樞變壓器燒燬。由於現代社會高度依賴電力，電力的中斷會導致現代社會出現多米諾骨牌似的連鎖效應，嚴重擾亂經濟社會的正常運行。
位於地面之上60公里到上千公里的高度範圍的地球大氣被稱為電離層，它對無線電波有極大的影響。當太陽爆發時，電離層會受到劇烈擾動，我們常用的短波信號和廣播電臺的高頻信號、GPS等全球衛星定位系統、衛星通信等都會受到干擾乃至無法工作。比如1994年，因太陽風暴引起的電離層擾動使美國衛星信號變壞，導致美國眾多股票交易所的數據發生混亂。
人類發射的近地航天器全部運行在地球的高層大氣之中。太陽風暴期間地球高層大氣會被輸入的能量加熱，大氣密度成倍成十倍地增加，這會讓在軌航天器所受大氣阻力成比例地增加，導致航天器軌道下降甚至提前隕落。
實際上，一次大的空間天氣事件，常常會對人類產生“組合式”危害。2003年10月底至11月初，一系列大的太陽活動引發了本太陽活動周內最強烈的空間天氣事件，惡劣的空間天氣給衛星、通信、導航、地面電力系統，帶來了一系列破壞，造成了嚴重的經濟損失。在這次空間天氣事件中，大量衛星發生故障、丟失數據，25顆衛星需要地面操作干預，才能維持運行，日本EOS衛星丟失，英美多個航班被迫改變航線，全球短波通信中斷，超視距雷達和民航通信出現故障，GPS導航系統發生故障，瑞典電網則中斷1小時，我國北方短波通信也受到了嚴重干擾。
對於空間天氣，我們能做什麼？
面對空間天氣災害，“越先進越脆弱”的悖論並不意味著為了避免這種打擊，人類就應該回到電氣化時代之前。事實上，在對太陽三輪攻擊以及人類受到影響的過程分析中，我們還可以發現兩個事實：第一，即便我們無法準確預報太陽的爆發時間，我們也能準確預警太陽何時爆發以何種方式影響地球；第二，只要我們將一些敏感的技術系統加以保護甚至停止工作，也就是切斷空間天氣影響技術系統的鏈路，以此抵禦太陽風暴也是可行的。
因此，“越先進越脆弱”的悖論的另一面，就是空間天氣災害“難防禦可減緩”的特點。而減緩的前提和我們防禦和減緩其他氣象災害一樣：觀測和預報。
太陽這麼一顆“大火球”結構極為複雜，活動過程也非常繁複，想要對其未來的狀態做出預報確實不容易。而在預報之前，至關重要的則是觀測。
科學家們通過近300年的觀測積累發現，太陽整體上呈現出11年活動週期，在一個太陽活動週期內，太陽表面的黑子數出現頻率從低到高再變低，如此反覆。目前我們正處在第24太陽活動周的末尾階段，太陽活動再次進入低年，截至2018年7月31日，太陽表面（面向地球的半球面）沒有黑子的天數已經超過121天。這就可以從整體上把握太陽活動的趨勢，在未來一年間，太陽活動仍將繼續走低，出現耀斑、日冕物質拋射等“大動作”的可能性整體上較低。但並不是說，在太陽活動的低年，就不會爆發大的活動了，比如在2017年9月就曾出現了第24太陽活動周最強耀斑爆發，如同在靜水中毫無徵兆的波瀾突起一般。
此外，在短時間的預報上，人類也有辦法。太陽的自轉週期約27天，這就給我們帶來一個便利條件。
這就意味著，太陽上一個活動區域轉入太陽背面開始的13天半後，我們就又能在太陽的另一側邊緣區域見到它。根據其大小、磁場結構、變化趨勢等做出進一步的判斷，就可以判斷它何時可能再次影響地球，這樣就可以提前約27天發出空間天氣預報。
從設備和監測手段上來說，如同氣象監測一樣，空間天氣的監測也需要“看到”之後才能做預報。針對太陽，人們嘗試了大量設備與方法，希望能看得更清、更準、更透徹。
例如，在距離地球約150萬公里處，也被稱為日地間拉格朗日L1點的位置上，“釘”一顆監測衛星上去，比如SOHO、ACE衛星等。由於這個L1點始終處在太陽和地球之間，在這個位置上的衛星永遠像哨兵一樣堅守在地球的上游。每當太陽風暴衝擊它後，衛星立刻將數據傳回地球，可以為我們爭取到數十分鐘的反應時間。在這數十分鐘的時間裡，人類可以關閉衛星，可以改變飛機航線，可以採用備份變壓器，可以採用其他通信手段，總之，採用各種切斷空間天氣事件影響技術系統的渠道。等到太空中風平浪靜，一切都恢復正常。
為了真正有效應對太陽風暴和它引起的空間天氣災害，人類需要建立與氣象預報一樣的空間天氣監測預報體系。
在我國空間天氣科學研究取得可喜進展的基礎上，國務院於2002年批准在中國氣象局成立國家空間天氣監測預警中心，和預報地球天氣的中央氣象臺一起，共同構建天地一體化的氣象預報體系。如今，這個中心已經和美國的空間天氣中心一起，成為世界氣象組織空間天氣協調機構的聯合主席單位，共同推進全球空間天氣業務體系的建設和發展。
然而，要真正做到有效應對可能發生的超級太陽風暴及其引發的災害，除了技術準備外，目前需要做的事情還很多。
美探測器拍到水星離開太陽圓面前瞬間
首先，我國需要在國家層面上制定一個空間天氣或空間氣象發展戰略。在這方面，美國已經走在前面，2017年再次更新了空間天氣國家戰略，將空間天氣災害納入國家防災減災體系，由美國各部門多機構聯合協作，各領域行業專家共同編寫預案，在災難爆發之前制定對策。
其次，還需要一顆在L1點上“為地球站崗”的衛星。在這第一個烽火臺上，美歐的SOHO和ACE衛星為人類立下了汗馬功勞，而這兩顆衛星已經老化，正在退出歷史舞臺。從本世紀初開始，我國科學家就一直在呼籲發射一顆類似的衛星，得到國際學界的高度認可。目前距離上一次超級太陽風暴已經159年了，而造成加拿大魁北克省大停電的太陽風暴也是近30年前的事情了，按照目前科學家們關於“超級太陽風暴百年一遇”的說法來粗略計算，未雨綢繆的重要性，不言而喻。
同樣重要的是，社會各界需要對太陽風暴、空間天氣災害有足夠的認知。如前所述，空間天氣災害是“難防禦可減緩”的，以當前人類的預警水平，只要我們知道如何應對，就可以有效減緩空間天氣災害造成的損失。反之，如果我們不知道相關知識，在災害來臨之時就會手足無措。評估表明，對空間天氣災害的認知不足，將是未來災害造成損失的重要原因。因此，空間天氣知識普及和空間天氣監測預警技術、空間天氣災害減緩措施同等重要。
如果我們應對得當，未來當超級太陽風暴來襲時，我們將有機會在炎熱的熱帶地區附近，一邊在房間裡正常享受空調帶來的縷縷清風，一邊欣賞天空中通常只有極區才會發生的絢爛極光。
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