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DAOrayaki ｜什么是太空天气，它如何影响我们在地球上的生活？

Space Science

3 months ago   •   19 min read

我们所知道的是，太空天气会影响地球上的生命。但是影响到什么程度仍然处在探索阶段，这也使得太空科学更加迷人。

DAOrayaki ｜什么是太空天气，它如何影响我们在地球上的生活？

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我们所知道的是，太空天气会影响地球上的生命。但是影响到什么程度仍然处在探索阶段，这也使得太空科学更加迷人。

DAOrayaki DAO研究奖金池：

资助地址:  DAOrayaki.eth

投票进展：DAO Reviewer  1/0 通 过

赏金总量：40 USD

研究种类：Space Exploration，Space Weather

原文作者:   Allen Jiang

创作者：HTseaaat@DAOrayaki.org

审核者：Skyone@DAOrayaki.org

原文:  What is Space Weather and How Does it Impact Our Lives on Earth?

通过太阳动力学观测站（SDO）卫星观察到的太阳。来源：美国航空航天局（NASA）。

太阳黑子是太阳表面的黑暗区域。它们是表面温度降低的区域，温度约为3593摄氏度，随着膨胀和收缩，太阳黑子的直径从16公里到16万公里不等[1]。

关于太阳黑子的最早记录见于中国的《易经》，著于公元前800年。资料来源：维基百科，NASA，瑞典皇家科学院。

太阳黑子的数量随着时间的推移逐渐增加或逐渐减少。太阳周期指的是每隔11年太阳黑子的数量会呈现近乎周期性的变化[1]。但这11年有什么特别之处呢？这仍然是一个谜。截至2022年，我们正处于第25个太阳周期。

资料来源：国际太阳能协会（ISES）。

为什么太阳黑子会有周期？这些周期是因为人类出于探究规律的心理需求而编造出来的，还是说这些周期的确是自然宇宙的一部分？其存在的意义是什么？也许这些周期是一个更大周期的一部分，就像经济周期一样——由人性造成的周期。

Ray Dalio提出的经济周期概念的例子。与太阳周期有一些联系吗？

人们可能会在直觉上认为太阳黑子与太阳活动以及太空天气有关，但这种关系在很大程度上仍然是未知的，等待着被人们发现，也许是被你发现。

我们所知道的是，太空天气会影响地球上的生命。但是影响到什么程度仍然处在探索阶段，这也使得太空科学更加迷人。

太空天气遍布整个太阳系。资料来源：欧洲航天局（ESA）。

本文的目的是探讨太空天气如何影响我们在地球上的日常生活。随着现代社会越来越依赖那些易受太空天气影响的技术，因此我们需要了解它是如何影响我们的日常生活[2]。

什么是太空天气？

太空天气是太阳活动与太空相互作用的结果，它可能会影响其他行星、地球和我们的大气层。太空天气也是我们能够看到极光的原因。

太阳活动可以引起地磁风暴进入地球大气层并产生极光。资料来源：aurorasaurus.org和维基百科。
世界各地的极光。资料来源：维基百科。

产生和驱动太空天气的主要现象是太阳耀斑、太阳高能粒子（SEPs）和日冕物质抛射（CMEs）[3]。我们主要通过太阳观测卫星来识别和测量这些事件。

太阳物理系统观测站（HSO）研究太阳及其对行星际空间的影响。资料来源：NASA。

太空天气事件

我们回到2017年9月6日至11日，这是一段太空天气活动频繁的时期，可以探索太阳与地球间的相互作用。在此期间，人们确认了三个重要的太空天气事件。

无线电停电

当太阳耀斑爆发并释放更高能量的X射线和极紫外辐射（EUV），导致地球电离层的电离时，就会发生无线电停电。电离层成分的变化会导致高频（HF）无线电信号变差或完全被吸收。我们通过X射线通量水平来测量变化[3]。

资料来源：国家海洋和大气管理局太空天气预报中心（SWPC NOAA）。

在此期间的太阳活动会非常频繁。最初是通过太阳动力学观测站（SDO）观察下面的视频，判断出这个太阳黑子区域2673号爆发并产生大规模耀斑。

2017年9月6日通过SDO在大气成像组件（AIA）波长通道131埃（Å）观测到的太阳。资源来源：NASA。
地球同步运行环境卫星15号（GOES-15）的X射线时间序列显示了9月6日至11日的耀斑水平。

这些太阳耀斑起源于太阳，并向地球传播。现场数据证实，这是地缘效应，主要影响区域在地球阳光照射的一侧[4]。这导致了欧洲、非洲和大西洋的无线电中断[5]。

太阳耀斑造成的停电图。资料来源：SWPC NOAA。

无线电停电影响分类：R3强影响到R4严重影响，原因是GOES的X射线水平在10e-4和10e-3之间，以及X2.2、X9.3、X8.2的X类耀斑。

如果这种情况如今再次发生，潜在的影响包括：

  • 高频无线电通信停电
  • 导航低频信号中断
  • GPS报错
  • 卫星导航中断
基于NOAA分类的无线电中断影响分级。资料来源NOAA。

2.太阳辐射风暴

当带电粒子在太阳大气层中加速到高速时，就会发生太阳辐射风暴，这种现象通常来自日冕物质抛射（CME）和太阳耀斑。这些太阳高能粒子（SEPs）可以穿透地球的磁层，并进入地球的大气层。当质子的能量通量>10兆电子伏特（MeV）时，太阳辐射风暴就开始了[3]。

日冕物质抛射（CMEs）是由太阳喷发的由太阳物质和磁场组成的巨大云团。太阳喷出的粒子由质子、氧离子、中子、氦离子和一些伽马射线组成。资料来源：NASA，ESA。

该太阳耀斑产生了一个不对称光环的CME（角宽度：360°），其中西部区域的等离子体云最大（位置角：199°）。当太阳耀斑产生时，我们可以观察到它是面向地球并且具有地缘效应，这一点被STEREO-A相对于太阳的位置所验证。

STEREO-A卫星在2017年9月6日至11日观测日冕物质抛射（CME）的位置。背景是水星的轨道。资料来源：NASA。
CME速度自动检测。资料来源：Astrophysical Journal 691。

该CME的速度范围为376到1955km/s，中位速度为978km/s[4]。9月6日太阳风的速度在480到600km/s之间，由于CME的移动速度比周围的太阳风快，因此会导致该CME进入太阳风时驱动一个冲击[7]，导致粒子加速器向地球移动。

OMNI（近地太阳风磁场和等离子体参数的小时分辨率多源数据集）观测到的太阳风速度。资源来源：NASA。

CME在太空传播时的速度受到太阳风介质的影响[7]，所以它应该以较低的速度到达地球。9月8日，OMNI现场数据观察到太阳风增加到700至800km/s，这标志着CME的到来。

太阳耀斑和CME产生了高能量的太阳高能粒子（SEPs）。地球上的质子通量达到100MeV以上，证实了太阳辐射风暴的到来。

地球质子通量图。资料来源：ADNET，NASA GSFC，CDWeb。
2017年9月11日每小时辐射单位（微西弗特/小时：uSv/hr）资料来源：大气电离辐射系统的预测（NAIRAS），NASA。

太阳辐射风暴分类：S3强影响到S4严重影响，原因是质子通量水平介于10e3和10e4之间。

如今的潜在影响包括：

  • 对宇航员和高空飞机上的人的危险辐射
  • 噪声严重的航天器信号和存储设备问题
  • 航天器星际跟踪和定位误差
  • 航天器太阳能电池板效率下降或太阳观测图像的退化
  • 臭氧层损耗
基于NOAA分类的太阳辐射风暴影响分级。资料来源：NOAA

3.地磁风暴

地磁风暴通过太阳风冲击或磁场云与地球的磁层交换能量而发生的，通常与CME有关。这导致强烈的磁层电流、辐射带变化和电离层变化。地磁风暴由扰动风暴时间（Dst）和行星地磁扰动指数（Kp）来衡量[3]。并非所有的CME都会引起地磁风暴，只有当CME的磁场方向相对于地球磁场发生重连时，才会引起地磁风暴。

地磁风暴行为。资料来源：Windy.app。

WSA-Enlil预测，"天气晴朗"将被即将到来的CME中断[9]。在此期间，这场太阳风暴内的等离子体密度和速度要明显得多。

Wang-Sheeley-Arge (WSA)-Enlil对引起地磁暴的太阳风结构和面向地球的CME进行提前预警。资料来源：SWPC NOAA。

9月08日的现场数据显示，地球磁场在南北方向的强度（Bz）是南向的，用负Bz值表示。这意味着行星际磁场线与地球磁场线的方向相反，允许磁重连发生，并允许地磁风暴发展并进入地球大气层[10]。

OMNI磁场强度（B）和南北方向磁场（Bz）数据。资料来源：NASA。
磁重连使地磁风暴得以发展并进入地球大气层。资料来源：aurorasaurus.org。

9月8日，Dst指数大幅下降至-100nT（巧合的是，加勒比海地区的飓风Irma也在同一时间出现[11]）。此外，Kp达到7到8之间。

赤道周围被干扰的几个站点的Dst指数平均值。资料来源：WDC for Geomagnetism, Kyoto。
图16 2017年9月期间的Kp指数。资料来源：德国地球科学研究中心。

基于磁力重连、Dst指数下降和高Kp指数，这场地磁风暴将造成强烈的潜在影响，但也将在全球范围内创造极光景象。

2017年9月的地磁风暴，出现可见极光的概率很高。资料来源：SWPC NOAA，芬兰的Jani Ylinampa。

地磁风暴分类：G3强影响到G4严重影响，原因是Kp指数介于7和略高于8之间。

如果今天再次发生这种情况，潜在的影响包括：

  • 电力系统的故障或停电
  • 航天器导航、定向和轨道方面的误差
  • 多余的航天器表面充电和增加阻力
  • 间歇性的高频无线电通信
  • 管线中的涌流
基于NOAA分类的地磁风暴影响分级。资料来源：NOAA。

2017年9月是太空天气史上的重要时刻。9月6日X9.3耀斑跻身有史以来最强大的15个耀斑[13] ，使太阳黑子2673成为第24个太阳周期中的历史性太阳黑子。

太空天气的未来

关于太空天气，我们仍有许多不知道的地方。过去的一些迹象未能预测到太空天气事件。例如，2015年圣帕特里克日的地磁风暴显示了一个微不足道的C级耀斑，但按照NOAA分类，其仍然产生了一个严重的地磁风暴[6]。此外，并非所有达到某些测量值的指标都能保证引起太空天气事件。这就提出了一个问题：目前的分类水平对现代和未来的技术是否仍然有效[14]。

太空天气事件的常见影响区域。资料来源：Metoffice.gov.uk。

需要进一步考虑的是，社会对容易受太空天气影响的技术的依赖性越来越大。例如，增加卫星互联网连接（Starlink），建立月球殖民地（Artemis），或交通电气化（电动汽车基础设施）使社会更容易受到太空天气的影响。因此乐观来看，太空天气的二阶影响可能会激发人类的弹性和独创性，例如改善卫星技术、生物安全和电子系统基础设施。

受太空天气影响最大的行业

受太空天气影响和需要提醒的利益相关行业有航空、通信、能源、政府、海事、媒体、卫星、运输和公用事业组织。

资料来源：NASA

改进太空天气警报并学习太空天气相关知识可以带来巨大的好处，包括：

政治——使政府与工业界合作。对于像医院这样的关键服务，政府可以进行干预以支持备用电源或连接伙伴关系。此外，全球的政治家都意识到，需要增加了太空天气领域的预算、研究和未来改进。

经济——减少大量的成本。组织可以通过推迟发射以防止航天器的损失（约5亿美元），或调整电力系统负荷以防止因大面积停电造成的国家GDP损失（30-60亿美元）来缓解事故[8]。

社会——培养关于宇宙的文化意识。这可以减少对世界的恐惧或误解（假新闻），同时产生对太空科学的好奇心和参与感，从而让该领域诞生更多的人才。

技术——改善技术。行业警报的增加将证明太空天气预报的价值，从而推动对太空天气技术的进一步投资。

环境——减少对环境的破坏。卫星运营商可以降低失去卫星的风险，因为卫星失控可能会引起碰撞并加剧太空碎片。

法律——降低法律风险。航空公司可以改变航班路线，以防止因高辐射暴露（怀孕者）而引起的诉讼，电力公司可以减少因潜在的死亡而引起的诉讼。

运营——可实现缓解。像地球天气反应一样，太空天气警报可以促进跨行业团体的灾难准备和危机管理的合作。

与以往任何时候相比，太空对地球上生命的影响都更加广泛。关于日地关系，仍有许多问题等待我们去发现。太阳黑子周期的原因是什么？太空天气和地球天气的关系是什么？我们如何利用太阳风来推动航天器，类似于我们利用地球风来推动船只？

太阳的环形磁场线与地球的比例。资料来源：Livescience.com。

参考资料

[1] Wikipedia, “Sunspot”, https://en.wikipedia.org/wiki/Sunspot

[2] National Research Council, Severe space weather events: Understanding societal and economic impacts: A workshop report”, https://nap.nationalacademies.org/read/12507/chapter/1

[3] NOAA/SWPC, “Space Weather Phenomena”, https://www.swpc.noaa.gov/phenomena

[4] National Oceanic and Atmospheric Administration, 2017, https://www.swpc.noaa.gov/news/r3-radio-blackout-6-september-2017

[5] NOAA/SWPC, “Blackout map”, 2017, https://spaceweather.com/images2017/06sep17/blackoutmap.jpg

[6] Astrophysical Journal 691, “A software package for ‘Computer Aided CME Tracking’”, 2009, https://www.sidc.be/cactus/catalog/LASCO/2_5_0/qkl/2017/09/CME0017/CME.html

[7] Y. Yasyukevich, “The 6 September 2017 X-Class Solar Flares and Their Impacts on the Ionosphere, GNSS, and HF Radio Wave Propagation”, 2018, https://agupubs.onlinelibrary.wiley.com/doi/full/10.1029/2018SW001932

[8] S. Matthews, “Space Science, Environment and Satellite Missions”, 2022, University College London, Department of Space and Climate Physics, Lecture Material

[9] SpaceWeatherLive, “WSA-Enlil Solar Wind Prediction”, https://www.spaceweatherlive.com/en/solar-activity/wsa-enlil.html

[10] S. McCloat, “What do magnetic field strength and “Bz” have to do with the aurora?”, 2015, http://blog.aurorasaurus.org/?p=178

[11] World Vision, “2017 Hurricane Irma: Facts, FAQs, and how to help”, 2018, https://www.worldvision.org/disaster-relief-news-stories/2017-hurricane-irma-facts

[12] German Research Centre for Geosciences, “Kp Index”, https://kp.gfz-potsdam.de/en/figures/kp-since-1932

[13] IPS Radio & Space Services, “The Most Powerful Solar Flares Ever Recorded”, https://www.spaceweather.com/solarflares/topflares.html

[14] C. Forsyth, “Re-examining space weather risks in Earth’s radiation belts”, 2022, University College London, Department of Space and Climate Physics, Mullard Space Science Laboratory Presentation, 2022

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