技经观察丨太空环境晴雨表—太空天气预报

随着人类太空活动日益活跃以及对太空系统依赖性增加，太空天气已成为影响经济社会发展安全的重要因素。与人们所熟知的风、霜、雨、雪等发生在地表低层的天气环境不同，太空天气主要指从太阳大气到地球大气的太空环境状态变化，其范围更广、空间更大，因其变化带来的影响更加深远。因此，太空天气的监测预报已成为主要国家和地区不可或缺的重要能力，为保护太空资产安全以及保障社会运行稳定提供有力支持。

一、太阳活动进入活跃期，太空天气变化加剧

太空天气主要受太阳活动的影响。典型的太空天气主要包括太阳耀斑爆发、日冕物质抛射、太阳能量质子事件、太阳风、磁暴和电离层扰动。其中，磁暴是一种典型的太阳爆发活动。当太阳爆发时，会发生日冕物质抛射，一次抛射能将数以亿吨计的太阳物质以数百到数千米每秒的高速抛离太阳表面。这些物质中不光包括巨大质量与速度汇聚成的动能，还携带着太阳强大的磁场能。它们一旦命中地球，就会引发地磁场方向与大小的变化，即地磁暴。极光实际上是地磁暴的“副产物”。当日冕物质携带太阳的能量与地球相遇后，其中一部分会随着地球磁场进入两极，并与距离地面100-400千米高的大气层发生撞击，撞击的过程伴随着能量交换。这些能量在被大气原子与分子的核外电子吸收之后，又快速得到释放，释放的结果就是发光。2024年5月10日晚至11日凌晨，地球磁场爆发了特大地磁暴，新疆阿勒泰、内蒙古锡林浩特、黑龙江漠河均出现了绚丽的极光。

新疆阿勒泰拍摄到的炫美极光

（图片来自摄影师微博@Jeff的星空之旅）

当前，太阳活动进入活跃期。太阳活动呈现出大约11年一个周期的变化规律，被称为太阳活动周期。从1755年开始有记录以来，目前正处于第25个太阳活动周期中，这一周期内太阳黑子活动达到高峰。2024年4月，国家卫星气象中心（国家空间天气监测预警中心）发布消息称，本轮太阳活动周已进入峰年阶段，峰值预计在2024年至2025年到来，目前处于峰值附近，太阳活动较为频发。5月，国家空间天气监测预警中心多次通过官方微博发布太阳耀斑黄色预警。中国科学院紫金山天文台专家苏杨在接受新华日报采访时表示，太阳活动有个约11年的周期，目前我们处于太阳活动第25周的上升期，几年后将达到峰值附近。西南交通大学天体物理中心主任刘煜曾表示，根据太阳活动监测情况，以及结合已掌握的太阳活动周规律，总体上讲2024年太阳活动还将持续增强，将比刚过去的2023年更加活跃，甚至有可能触及到本次太阳活动周期的峰值附近。专门研究太阳活动周期的国际专家Hathaway D.H.预测称，2025年太阳活动将达高峰，活跃期过后，太阳会再次进入较平静的时期，爆发的数量逐渐减少。

二、太空天气剧烈变化对地球环境安全带来诸多挑战

太阳活动的剧烈变化会对地球电离层产生扰动，从而对航天器运行、导航定位系统以及地面电力系统等产生诸多挑战。

一是影响航天器运行安全。由太阳活动引发的地磁暴会驱使地球高层大气微粒运动加剧，最终造成大气整体上受热膨胀，并向着更高的空间扩散，从而对飞行在太空的航天器造成更大的飞行阻力，威胁航天器在轨安全。2022年2月，美国SpaceX公司发射部署的49颗“星链”卫星遭遇地磁暴，其中39颗卫星受此影响未能顺利升轨最终坠入大气层烧毁。2024年5月太阳的大级别耀斑连续爆发对中国太空站和国际太空站的安全运行带来不利影响。从5月1到5月11日，中国太间站的远地点轨道高度从382.2千米下降到379千米以下，而近地点轨道高度则从377千米下降到了374千米以下；国际太间站的远地点轨道高度从417千米下降到了415.3千米，近地点高度从412千米下降到了410.8千米。

二是影响导航通信。发生地磁暴时，电离层往往会发生强烈的扰动，从而干扰地面通信和卫星信号，这可能影响导航卫星系统的精确度，以及手机和卫星电视的信号质量。据404Media网站调查，2024年5月发生的超级地磁暴给北美的关键GPS系统和精准农业作业带来了灾难性打击，导致正处于关键播种期的农业生产活动陷入停滞，许多农民暂停了种植作业。堪萨斯州和内布拉斯加州约翰迪尔经销商LandmarkImplement发布消息称，太阳风暴破坏了拖拉机的实时动态系统的精度，导致田间出现大幅偏差，甚至出现一些大幅度的航向变化。

三是影响电力系统稳定运行。强烈的地磁暴会对电力传输系统产生影响，增加输电线路的电流负荷，有时甚至可能导致变压器或其他电网设施损坏，引起电力中断。1989年3月，加拿大魁北克省的电力系统受太阳风暴引发的磁暴影响导致该省的大部分地区停电达9小时以上，600万居民受到影响。

三、主要国家和地区持续提升太空天气预报能力

美国是最早开始对太空天气进行探索、开发和利用的国家。美国于1995年就颁布了“国家太空天气战略计划”，推动太空天气研究迅速发展，相应的服务体系逐步完善．多家太空组织参与空间环境服务，相互协助、共同致力于美国的太空天气建设。近年来，美国高度重视太空天气研究工作，先后发布《国家战略风险评估报告》《协调努力为国家做好空间天气事件的准备》《国家太空天气战略和行动计划》《太空天气法案》等文件及法案，将太空天气确定为对国家安全有着重大潜在影响的九大自然灾害之一，并将应对太空天气现象的经济社会影响定为美国法定国家政策。

《国家太空天气战略和行动计划的执行计划》

2023年12月，美国白宫科技政策办公室发布了《国家太空天气战略实施和行动计划》，从国家层面为跨部门的太空天气活动提供路线图。该计划明确了三大任务目标：一是提升国家安全、国土安全以及商业资产和业务抵御空间天气影响的能力；二是发展并发布准确及时的太空天气特性和事件预报；三是建立对太空天气事件应对和恢复的计划和程序。美国政府将通过该计划进一步保障国家安全资产、关键基础设施和太空运营，同时促进美国商业太空和地面活动的发展。同时，美国通过加强机构间合作提升太空天气的预报能力。2023年12月，美国NASA、国家海洋和大气管理局、国家科学基金会和美国空军签署太空气象活动协议，旨在改善太空天气研究领域合作能力。根据协议，这些机构计划通过合作将模型、观测、预报应用、技术和其他能力从研究阶段转为太空天气预报能力，以改善太空天气服务。国家海洋和大气管理局卫星和信息主任斯蒂芬·沃尔兹表示，加强联邦政府将太空天气研究转化为运营方面的合作和协调，对于最大限度减少和减轻太空天气事件的潜在后果以及支持不断发展的商业航天企业至关重要。

欧洲围绕太空天气预报积极强化感知分析和国际合作。欧空局于2009年启动了为期10年的太空态势感知（SSA）计划，将太空天气作为SSA计划的重要组成部分之一，首要任务是建立太空天气服务网络，由太空天气协调中心（SWE-CC）、太空天气专家服务中心（SWE-ESC）和太空天气数据中心（SWE-DC）等机构组成。目前，太空天气服务网络处于运行阶段，建成并运营了“欧洲空间天气帮助平台”，在该平台上供应商可以为用户提供初级支持，并解答有关空间天气整体状况的问题。2019年8月，欧洲空间科学委员会（ESSC）发布《关于欧洲空间天气一体化方法的评估报告》，旨在增强欧洲应对空间天气风险的能力，并提升欧洲对全球空间天气行动的贡献。为加强欧洲应对太空天气风险的能力，报告建议：一是提升太空天气的科学认知，强化对太空天气数据的分析能力；二是完善太空天气的物理基础模型，建立耦合预报模型平台；三是从国家、区域及欧洲等层面开展评估工作；四是整合欧洲用户需求，并定期重新评估和优先级排序；五是支持从研究到操作（R2O）和从操作到研究（O2R）的过渡，使科学家与太空天气服务机构进行有效对接；六是建立用于太空天气观测的太空和地面资产网络。此外，欧洲国家还通过国际合作方式提升太空天气研究能力。2019年6月，英国航天局（UKSA）宣布与美国国家航空航天局（NASA）等合作，开展与空间天气相关的科学、天基和地基系统技术研究。为保护航天员、卫星和地面基础设施，UKSA委托伦敦大学学院穆拉德空间科学实验室（MSSL）研制一种先进的等离子体分析仪，用于观测太阳风。

中国持续提升太空天气预报监测能力。2002年6月，中国气象局成立国家空间天气监测预警中心，承担我国空间天气监测预警、预报发布和应用服务职责。目前基本形成天地一体化空间天气监测格局，实现从太阳爆发到地球空间环境响应全过程的自主观测。2009年，国家空间天气监测预警中心与美国国家海洋和大气管理局共同成为世界气象组织空间天气业务协调机构的联合主席单位。2021年11月，中俄联合体全球空间天气中心在北京成立，是继美国国家海洋与大气管理局的太空天气预测中心，泛欧航空航天天气用户服务联盟(PECASUS)以及澳大利亚、加拿大、法国和日本联合空间天气预测中心(ACFJ)之后，世界上第4个全球空间天气中心。

同时，中国通过实施国家重大科技基础设施建设提升对太空天气的监测预报能力。子午工程由中国科学院国家空间科学中心等单位承建，是我国“十一五”中期投资建设的一个能够在地面持续运行的、综合性的、跨区域的大型空间环境观测网络。子午工程利用沿东半球120°子午线附近及沿北纬30°附近的15个综合性观测台站建成，是一个以链为主、链网结合、联合运作的大型空间环境地基监测系统，也是中国在空间天气领域建设的第一个国家重大科技基础设施。子午工程一期于2021年投入运行，标着我国空间环境地基监测系统的主体框架形成，地基探测迈上新台阶。子午工程二期于2023年12月初步建成，将在全球首次实现对日地空间环境全圈层、多要素综合的立体式探测，大幅提高我国对空间环境的认知能力、自主创新能力和保障服务能力。未来，借助子午工程二期，科学家可将电离层、中高层大气、地磁环境“尽收眼底”，在空间环境监测和研究“加快脚步”。

四、结语

习近平总书记在中国科协第九次全国代表大会上的重要讲话中强调：“空间技术深刻改变了人类对宇宙的认知，为人类社会进步提供了重要动力，同时浩瀚的空天还有许多未知的奥秘有待探索，必须推动空间科学、空间技术、空间应用全面发展。目前，我国在太空天气领域经历几十年的发展已基本建立起对多项太空天气环境数据的监测能力，有力保障了我国太空安全和社会经济平稳发展。但面对复杂多变的太空天气环境，未来我国一方面应加强天地融合的监测预报基础设施建设，提升太空环境数据收集和分析能力，为提供更加及时和准确的预报信息奠定基础；另一方面，积极开展国际合作，以实现太空共同安全为目标，联合更多国家和国际组织开展对太空天气的研究活动，为实现太空和平利用、构建人类命运共同体做出更大贡献。

参考文献：

[1] 李蓉,全林,李泠,等.空间天气服务现状及发展综述[J].地球物理学进展,2023,38(06):2417-2429.

[2] 李明,汤惟玮,范全林.欧洲空间天气一体化行动评述[J].科技导报,2020,38(22):86-94.

[3] The Office of Science and Technology Policy，IMPLEMENTATION PLAN OF THE NATIONAL SPACE WEATHER STRATEGY AND ACTION PLAN [EB/OL].[2023-12-20]. https://www.whitehouse.gov/wp-content/uploads/2023/12/Implementation-Plan-for-National-Space-Weather-Strategy-12212023.

[4]北京应急.大地磁暴预警！太阳“发脾气”，对身体健康有影响吗？[EB/OL].[2024-3-26]. https://mp.weixin.qq.com/s/vXwTp62OtggDpNSCqU8OsQ. [5]王赤 曹晋滨.如何应对空间天气挑战[EB/OL].[2024-2-1].https://mp.weixin.qq.com/s/yHWjkOipixmSpJSzLWkEuw.

[5]发展北京. 地基监测“一网打尽”！子午工程邀您一起揭秘日地空间[EB/OL].[2022-1-5]. https://mp.weixin.qq.com/s/5jhHydjy_J2ilgiEiyWRpw.

作者简介

张嘉毅 国务院发展研究中心国际技术经济研究所研究六室

研究方向：航空航天领域形势跟踪及关键核心技术、前沿技术研究

联系方式：zjy@drciite.org

编辑丨郑实

研究所简介

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