据中国气象局消息 3 月 24 日、25 日和 26 日三天可能出现地磁活动。其中 3 月 25 日会发生中等以上地磁暴甚至大地磁暴，预计地磁活动将持续到 26 日。

相关消息一经发布，关于“地磁暴”的话题多次登上各种社交平台热搜。

一些网友还表示，大地磁暴给自己身体带来了或多或少的影响：

地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。

电闪雷鸣、刮风下雨对普通公众来说是再熟悉不过的天气，但你是否知道，在遥远的太空也有“风雨”甚至是“海啸”？这就是空间天气。空间天气与人类活动有什么关系？除了地磁暴，还有哪些空间天气？

今天，我们跟随国家卫星气象中心空间天气预报台副台长、正研级高工郭建广，一起来认识空间天气与人类探索太空、科学研究和生产生活的密切联系。

专家：

郭建广

国家卫星气象中心（国家空间天气监测预警中心）

空间天气预报台副台长、正研级高工

详情请见首都科学讲堂 | 认识空间天气监测预报

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认识空间天气

公众对空间天气的认识，可能大多是从一部电影开始的。2009年，一部灾难电影《2012》横空出世，电影中结合玛雅人关于“2021年12月21日世界末日将要来临”的预言，描述到由于太阳活动的异常，地面的磁场发生了变化，两极发生了倒转，接着山崩地裂、海啸、地震等灾难接踵而至。这些灾难景象使得“世界末日”的谣言甚嚣尘上。

▲电影中的“空间天气”

之后，《地心引力》《火星救援》等，以及近两年热映的电影《流浪地球》，都出现了“空间天气”或者是“太阳风暴”的身影。其实，这些影片中的情节均出自艺术家们的想象，但是这些想象中的空间天气也不乏科学依据，其中的很多细节都是值得称道的。

比如在《流浪地球》中出现了多波段观测的日珥爆发，以及太阳辐射对地球的种种影响，都有科学依据作为支撑。

其实，有很多日地联系的现象，人们都可以亲眼看见。比如下面这张在故宫中拍摄的日出照片，反映出的就是地球遮挡了来自太阳的光线。

▲故宫中拍摄的日出

我们经常会看到雨后出现彩虹，其原理也与太阳有关。当太阳光照射到半空中的水滴，光线被折射以及反射，在天空上形成拱形的彩虹，由外圈至内圈呈现红、橙、黄、绿、蓝、靛、紫七种颜色，有时还能形成雨后的双彩虹。

月球也会遮挡来自太阳的光线，这时就会发生日偏食，甚至是日全食。

此外，太阳风暴还可以导致美丽的极光现象。实际上，极光并不是地球上独有的一个现象，在太阳系中其他的行星上也会产生极光。哈勃天文望远镜曾在1998年1月7日同一天拍摄到木星极光和土星极光。跟在地球上一样，木星极光和土星极光都发生在南北两极，这预示着极光是与行星磁场和大气紧密相连的。

▲哈勃天文望远镜拍摄到的木星极光（左上图）、土星极光（右上图）和天王星极光（下图）

除了极光外，另外一个“肉眼”不太常见的现象是太阳黑子。实际上，我国史书上有很多有关太阳黑子的目视记录，仅正史上就有100多次。世界上最早的明确的黑子记录，是公元前28年我国汉朝人观测到的。在《汉书·五行志》记载有：“日出黄，有黑气，大如钱，居日中央。”也就是说在太阳日面中间有一个像铜钱一样大小的黑色的斑点。

西方科学家首先对太阳进行了科学的观测。1610年左右，意大利天文学家伽利略利用自制的望远镜对太阳进行了观测，观测到了太阳黑子。他认为太阳黑子是太阳上非常普遍的一个现象。

▲伽利略的太阳黑子观测记录手稿

对太阳黑子的常规观测到1818年左右才正式开始，形成了持续大概400年的太阳黑子观测记录。人们对太阳黑子的观测揭示了很多有趣的物理现象，比如太阳是自转的、太阳上也存在磁场。

科学家眼中的太阳跟普通人肉眼看到的太阳是不太一样的。肉眼看到的太阳非常光滑，偶尔会有些黑子。如果将观测太阳的视角不断地放大，我们就可以看到太阳上有一些不规则的结构或者叫精细结构，比如像斑点一样的米粒或者超米粒组织。

另外，科学家眼中的太阳还是“五彩斑斓”的。借助不同波段的观测，科学家还能看到一些肉眼无法看见的太阳现象，比如太阳耀斑——它是太阳大气中局部突然增亮的现象。

还有一种现象是日珥，它像太阳的“耳朵”一样。成因是太阳抛射出的物质由于太阳本身的巨大吸引力，又回落到太阳上，从而形成了一个像耳朵一样的形状。

空间天气是指太阳上和太阳风、磁层、电离层、热层（日地空间）中能影响空间、地面技术系统的运行和可靠性，以及危害人类健康和生命的状态、条件或者事件。空间天气的典型特征为突发性的、短时间尺度的、高度动态易变的。

▲空间天气示意图

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空间天气与人类活动

人类探索太空的每一步都伴随着空间天气，比如我国的嫦娥计划、中国空间站、天问一号火星探测，国外的帕克太阳探测器和旅行者一号、二号等。

实际上在探索宇宙的过程中也不都是一帆风顺的，经常会“翻车”。比如，2022年美国太空探索技术公司发射了一批49颗“星链”卫星，他们原计划把卫星首先发射到210千米高度上，但这些卫星遭遇了大气阻力增大50%左右的情况，虽然地面运控系统和卫星的操控机构做了及时的响应，比如把太阳能帆板翻转90度等措施，但仍然不能阻止卫星坠入大气层的后果。

最终，有39颗卫星受到大气阻力的影响，坠入了大气层，直接经济损失超过5000万美元（约合人民币3.4亿元）。事后复盘分析表明，这一次坠毁事件和空间天气密不可分。“星链”卫星在发射之前，太阳上发生了一次小小的耀斑，伴随着日冕物质抛射（CME）从太阳上爆发出来，几天之后影响到地球，由此产生地磁暴，从而引起了大气的膨胀和密度增加，对低轨卫星的运行轨道产生了影响。

历史上，有很多航天器因为地磁暴的影响发生坠毁事件。比如1973年美国发射的天空实验室，原计划运行10年，但实际只运行了6年多，就是因为对于太阳风暴的影响估计不足。

实际上，95%的太阳能量都是以太阳光照的形式到达地球，大部分是以光和热，比如说光合作用、日晒和天气的形式。其余的5%则决定了空间天气，也就是空间天气的源头。

▲艺术家作的一幅画，形象地表明了太阳是如何影响地球的

空间天气就好像太阳“吹了一口气”，或者说“打了一个喷嚏”，这个“喷嚏”能够穿越日地行星际空间来到地球附近，从而对地球产生影响。

一般来说，太阳打的“喷嚏”对地球大概有三轮攻击。首先就是太阳耀斑的影响。太阳耀斑是一个光学作用，它以光速的形式影响地球，大概8.5分钟就能从太阳传播到地球，能引起地球面向太阳一面的电离层增强。

第二轮攻击是高能粒子，这些高能粒子用几十分钟或者几个小时到达地球，会对卫星造成一些致命影响。

第三轮攻击是等离子体云，也就是所谓的日冕物质抛射。它以每秒钟大概几百公里的速度飞行，需要三天左右从太阳到达地球，对地球产生影响。它主要引起地球磁场的全球性扰动，还可能会引起高能电子暴、等离子体注入等方面的影响。另外它还能引起高层大气的扰动，可能对低轨卫星产生影响。

空间天气灾害是人类的“富贵病”，主要影响的都是高技术系统，如航空、航天、导航通信和管网等。它是指由于空间天气因素造成天基或地基技术系统功能下降或者报废、航天员等人员健康受到损害，从而导致国民经济蒙受损失、国家安全受到威胁。

空间天气灾害首先影响航天活动安全。统计表明，国外卫星故障大约40%与空间天气条件相关，我国大致也是如此。1989年9-10月，美国航天飞机亚特兰蒂斯号上的航天员看到高能粒子轰击视网膜引起的闪光，眼睛受到严重刺激，不得不退回到飞船舱内。

空间天气灾害还影响航空活动安全。飞机飞行高度大约在1.2万米时，航空辐射大概是地面的20-30倍。一次跨越极区到北美的飞行大概是1次X光胸透的辐射剂量。

空间天气灾害还会影响通信、导航和定位。电离层与无线电是一对“孪生兄弟”，任何经过电离层的电波均会受到电离层天气的影响。比如我们的手机导航定位不准，大部分误差都来自电离层。

▲电离层与无线电的关系

另外，空间天气灾害会影响地面管网。1989年3月13日曾发生地磁暴，加拿大魁北克电网瘫痪，导致9小时大停电事件。

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空间天气预报

空间天气影响到人类生活的方方面面，是否能对空间天气灾害进行减缓和防御呢？答案是肯定的。我们可以对空间天气进行预报。

如上图所示，叙述与天气预报类似，它只是作了定性描述，实际上我们还需要一些定量描述，比如未来发生质子事件和耀斑发生的概率、未来发生地磁暴的概率。此外，我们还要对一些空间天气的参数，比如太阳10.7厘米射电流量进行预报。

实际上，地球天气和空间天气之间有很多相似的地方，比如地球上有暴风、暴雨和雷暴，空间天气实际上也有粒子暴、磁层亚暴、电离层暴、热层暴等。

▲地球天气和空间天气的区别

空间天气预报有一个基本理论，叫做空间天气因果链。一次完整的空间天气事件，一般具有从太阳表面形成与发生，然后在行星际空间传播和演化，最后在地球电离层和中高层大气中产生影响和效应的规律。因此，从空间天气业务需求来说，需要对从太阳—行星际—磁层空间—电离层和中高层大气，这一空间天气事件因果链上的重要区域进行必要的监测。        

空间天气预报最核心的内容是对太阳活动进行预报，然后对地球的一些效应进行预报。空间天气预报的主要方法就是利用周期性和重现性。

大概400年前，人类就开始观测太阳黑子，形成了非常漫长的历史记录。我们在对太阳黑子长时间的观测中发现，太阳活动有一个11年的周期。

我们还发现了太阳活动有季节的变化。比如春分和秋分的时候，地球上的地磁活动也会产生各种不同的影响。同时，地磁有一个以27日为周期的活动重现性，这与太阳自转息息相关。

实际上，空间天气预报就是根据观测资料和预报模式，对未来的太阳活动、行星际、磁层、电离层、中高层大气中关键要素做出预警和预报。

空间天气预报的主要业务流程包括从天基和地基观测网接收数据，进行数据质量控制，然后进行模型计算和人工订正。

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业务创新与未来展望

大约2000年前后，国家卫星中心和国家气象中心开始进行空间天气的业务试验。2002年6月1日，国务院批准中国气象局成立国家空间天气监测预警中心。2004年7月1日，我国开始了空间天气相关的业务运行，正式对外发布空间天气预报。2010年1月，国务院颁布《气象灾害防御条例》（中华人民共和国国务院令第570号），第三十三条规定，各级气象主管机构应当做好太阳风暴、地球空间暴等空间天气灾害的监测、预报和预警工作。2015年11月27日，中国气象局成立国家空间天气预报台。2021年的11月，（国际民航组织）全球空间天气中心成立。

国家空间天气监测预警中心的主要职责：一方面规划我国空间天气的监测布局，另一方面发布空间天气现报、警报与预报，还有为航天、导航、通信等应用部门服务，为国家安全服务。

目前国家空间天气监测预警中心建设了监测、预报和服务三位一体的业务体系，基于风云三号和四号卫星的监测，我国首次实现了从太阳爆发到地球空间环境响应“全过程”的自主监测；通过发展自主的预报技术体系，不断完善预报规范体系，空间天气预报的精细化和准确率大大提高，预报准确率与国际水平相当；服务对象广泛，为神舟飞船、嫦娥探月计划、北斗系统、国家电网和民航空间天气保障等提供服务。

未来，国家空间天气监测预警中心将继续推进日地因果链全过程自主监测，发展我国第一代“全链路”日地空间天气数值预报业务系统，持续提升空间天气服务能力，保障国家安全和经济社会发展。

▲我国第一代“全链路”日地空间天气数值预报业务系统示意图

（来源：首都科学讲堂，部分内容来自央视一套）