天天科普 | 太空也有“天气预报”吗？“下雨”了卫星要打伞吗？

日常生活

离不开天气预报

明天是晴天还是下雨天

决定着我们的穿衣和出行方式

但你知道吗？不仅仅是人类

远在地球之外的卫星

也需要“天气预报”

地球上的天气主要受太阳的影响，正是太阳的能量驱动着地球上的水与空气，形成了丰富的天气现象。

那么问题来了，远在“九霄之外”，接近真空的宇宙空间里会有“天气”存在吗？

今天我们来研究一下：

什么是空间天气？

空间天气对我们有什么影响？

卫星如何应对空间天气？

空间天气

太阳上出现的耀斑和日冕物质的抛射等剧烈活动，会给地球磁层，电离层和中高层大气，卫星运行和安全等带来影响，人们把这种由太阳活动引起的短时间尺度的变化，称之为空间天气。 

空间天气主要受太阳风的风速和密度、以及太阳等离子体带来的行星际磁场三者的影响。

各种各样的物理现象都与空间天气相关，包括地磁风暴和亚暴、在范艾伦辐射带的电流、电离层扰动和闪烁、极光以及在地球表面的磁场变化诱导的电流等。

空间天气对于我们进行太空探索发挥着极其重要的作用，中国科学院国家空间科学中心主任王赤研究员表示：

空间天气的研究对象是地球表面20公里以上的空间领域，主要包括日地空间的太阳日冕、行星际、磁层、电离层和中高层大气等。

我们目前大部分的航天、卫星、通讯、导航活动都发生或依赖于这个空间领域。因此，灾害性的空间天气也会对我们日常生活会产生直接的影响。

空间天气的变化产生的影响

空间天气由太阳活动控制，太阳爆发产生的电磁波、高能粒子和高速等离子体经过行星际空间的传播到达地球，在地球磁层、电离层和中高层大气中诱发一系列剧烈变化，进而使空间天气变得恶劣。

随着航天活动增多及其相关应用的推广普及，空间天气这种太空中的“阴晴雨雪”，对人类社会的正常运作产生的影响正与日俱增。同时，空间天气还能对电网造成破坏性干扰，从而对社会运行所依赖的基础设施产生巨大的影响。

1、航天器的隐形杀手

1991年5月，我国上天仅半年的风云一号B卫星忽然开始失控翻转，在控制人员发现并采取措施时，卫星上的推进剂早已喷完，设计寿命为1年的卫星仅过了半年便不得不提前报废。

而造成这一切的，就是太阳高能粒子和地球附近的热等离子体，在空间天气状况恶劣的情况下，他们的出现将会非常频繁，对航天器安全产生威胁。

航天器上的微电子元器件，最惧怕的就是高能粒子中能量更高的那一部分，这些高能粒子能够穿透电子元件，造成数据错误、电路功能混乱或计算机整机瘫痪，引发卫星的异常或故障，甚至将卫星彻底摧毁。

而能量相对低一些的高能粒子，则可以在航天器内部的电路板、导线等位置产生电荷堆积，阻碍航天器的正常工作。

虽然热等离子体的单个粒子能量不及高能粒子，无法侵入航天器内部，但它们在航天器表面的堆积同样会引发表面充放电效应，干扰航天器的正常运行甚至造成损伤。

2、空间站提前坠落的元凶

地球大气的密度随着高度的增加而迅速减小，在LEO轨道几百公里的高度上已经相当稀薄。然而，对于高速运动的航天器来说，这里的大气阻力仍然是不可忽视的，如果不主动使用发动机进行轨道维持，航天器的轨道就会不断衰减，轨道高度越来越低，最终陨落。

太阳耀斑产生的电磁辐射，和日冕物质抛射诱发的地磁暴对中高层大气的加热，都会使LEO轨道上的大气密度比正常情况下有所增加，航天器在此影响下必须进行额外的轨道维持，否则就可能遭遇不测。

而且空间天气产生的影响，还会使得中高层大气的密度变得更加难以预测，对于交会对接这类需要进行轨道精准控制的操作，在大气密度的实际值与预测值偏差较大的情况下，飞行器的实际飞行轨迹与预测的轨道就可能出现较大偏差，需要耗费更长的时间来不断修正轨道，才能完成对接。

3、卫星定位与无线电通信的干扰源

在距离地面60~1000公里的区域中，存在着由带电粒子组成的电离层。无线电信号能否穿过电离层、穿过电离层时信号参数发生的变化，都与电离层的性质有关。

例如，短波信号能够跨越大洲传播，利用的就是电离层对这个频段无线电信号的反射；而地面与卫星通信时，则必须使用能够穿透电离层的高频信号。

电离层性质主要受到太阳活动的影响，一旦有耀斑发生，电离层的性质在耀斑发生的同时就会马上产生变化，而日冕物质抛射吹袭地球时，引起的地磁暴同样会诱发电离层性质的变化。

地面设备在接收北斗、GPS等卫星定位系统所发射的定位信号，并由此推算位置信息时，已经考虑了电离层在一般情况下的性质。

而一旦电离层的性质由于空间天气原因发生变化，定位信号的实际变化情况就会和设备中预置情况产生差异，定位设备的定位精度就会因此下降。

对于日常生活中的手机定位，由于定位精度的要求不高且能够借助手机基台的位置进行较差定位，因此不会明显的感受到空间天气的影响。

然而，对于定向钻井等野外高精度作业和新一代航空导航与仪表降落系统来说，电离层变化的定位精度降低足以干扰他们的正常工作。

4、摧毁高压电网的幕后黑手

地磁暴对社会生活的威胁，在于其可能对电网产生破坏。地磁暴引起的磁场的剧烈变化会在长距离高压输电线中产生强烈地磁感应电流，引起电网供电不稳或彻底崩溃。

1989年3月的地磁暴使得加拿大魁北克地区的电网瘫痪，数百万人在寒冷中度过了没有电能供应的夜晚。如果更加强烈的太阳风暴来袭，烧毁电网大型核心变压器，电网将会发生长时间的瘫痪。

这是因为这些大型核心变压器多为特别定制产品，没有现成的货架备份可供替换，一旦损坏，短时间内无法找到备件替换。电能是现代社会运作的基本条件，一旦失去供电，整个社会的运转便会陷入停滞。

卫星如何应对空间天气

目前，卫星常用的有三把抗辐照“雨伞”，既有防护措施，也有纠正措施，比较典型的有：三模冗余、错误检测与纠正、抗辐照加固芯片等。

●三模冗余，顾名思义就是鸡蛋不放在一个篮子里，同样的运行模块要备三份，将三份模块运行结果进行比对，是“少数服从多数”在航天领域的典型应用。

三模冗余的建立前提是高能粒子在同一时刻最多只能造成一份模块运行异常，这种措施能够有效降低单粒子翻转，缺点是不能对出错模块进行修复，而且资源开销大。

●错误检测与纠正是通过约定的算法，将因辐照造成的错误的地方找出来并进行纠正。

该方法优点是对错误发生点能够进行修复，缺点是如果错误发生点太多，算法也就失去作用。

●采取高性能的抗辐照加固芯片是抵抗单粒子翻转的有效防护措施。

中国科学院计算技术研究所自主研发的龙芯抗辐照芯片目前已经应用于北斗导航卫星上，实现了“中国芯”在太空中的运用，是卫星对抗高能粒子的保护伞。

有了这三把“雨伞”，在变化莫测的太空天气中，就算有“风吹雨打”，卫星也能够“胜似闲庭信步”了！

|本文内容来源：中国航天报、数字北京科学中心、科学大院、科普中国

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