太空也有「天氣預報」嗎？「下雨」了衛星要打傘嗎？

日常生活

離不開天氣預報

明天是晴天還是下雨天

決定著我們的穿衣和出行方式

但你知道嗎？不僅僅是人類

遠在地球之外的衛星也需要「天氣預報」

地球上的天氣主要受太陽的影響，正是太陽的能量驅動著地球上的水與空氣，形成了豐富的天氣現象。

那麼問題來了，遠在「九霄之外」，接近真空的宇宙空間裡會有「天氣」存在嗎？

今天我們來研究一下：

什麼是空間天氣？

空間天氣對我們有什麼影響？

衛星如何應對空間天氣？

空間天氣

太陽上出現的耀斑和日冕物質的拋射等劇烈活動，會給地球磁層，電離層和中高層大氣，衛星運行和安全等帶來影響，人們把這種由太陽活動引起的短時間尺度的變化，稱之為空間天氣。

空間天氣主要受太陽風的風速和密度、以及太陽等離子體帶來的行星際磁場三者的影響。

各種各樣的物理現象都與空間天氣相關，包括地磁風暴和亞暴、在範艾倫輻射帶的電流、電離層擾動和閃爍、極光以及在地球表面的磁場變化誘導的電流等。

空間天氣對於我們進行太空探索發揮著極其重要的作用，中國科學院國家空間科學中心主任王赤研究員表示：

空間天氣的研究對象是地球表面20公裡以上的空間領域，主要包括日地空間的太陽日冕、行星際、磁層、電離層和中高層大氣等。

我們目前大部分的航天、衛星、通訊、導航活動都發生或依賴於這個空間領域。因此，災害性的空間天氣也會對我們日常生活會產生直接的影響。

空間天氣的變化產生的影響

空間天氣由太陽活動控制，太陽爆發產生的電磁波、高能粒子和高速等離子體經過行星際空間的傳播到達地球，在地球磁層、電離層和中高層大氣中誘發一系列劇烈變化，進而使空間天氣變得惡劣。

隨著航天活動增多及其相關應用的推廣普及，空間天氣這種太空中的「陰晴雨雪」，對人類社會的正常運作產生的影響正與日俱增。同時，空間天氣還能對電網造成破壞性幹擾，從而對社會運行所依賴的基礎設施產生巨大的影響。

1、太空飛行器的隱形殺手

1991年5月，我國上天僅半年的風雲一號B衛星忽然開始失控翻轉，在控制人員發現並採取措施時，衛星上的推進劑早已噴完，設計壽命為1年的衛星僅過了半年便不得不提前報廢。

而造成這一切的，就是太陽高能粒子和地球附近的熱等離子體，在空間天氣狀況惡劣的情況下，他們的出現將會非常頻繁，對太空飛行器安全產生威脅。

太空飛行器上的微電子元器件，最懼怕的就是高能粒子中能量更高的那一部分，這些高能粒子能夠穿透電子元件，造成數據錯誤、電路功能混亂或計算機整機癱瘓，引發衛星的異常或故障，甚至將衛星徹底摧毀。

而能量相對低一些的高能粒子，則可以在太空飛行器內部的電路板、導線等位置產生電荷堆積，阻礙太空飛行器的正常工作。

雖然熱等離子體的單個粒子能量不及高能粒子，無法侵入太空飛行器內部，但它們在太空飛行器表面的堆積同樣會引發表面充放電效應，幹擾太空飛行器的正常運行甚至造成損傷。

2、空間站提前墜落的元兇

地球大氣的密度隨著高度的增加而迅速減小，在LEO軌道幾百公裡的高度上已經相當稀薄。然而，對於高速運動的太空飛行器來說，這裡的大氣阻力仍然是不可忽視的，如果不主動使用發動機進行軌道維持，太空飛行器的軌道就會不斷衰減，軌道高度越來越低，最終隕落。

太陽耀斑產生的電磁輻射，和日冕物質拋射誘發的地磁暴對中高層大氣的加熱，都會使LEO軌道上的大氣密度比正常情況下有所增加，太空飛行器在此影響下必須進行額外的軌道維持，否則就可能遭遇不測。

而且空間天氣產生的影響，還會使得中高層大氣的密度變得更加難以預測，對於交會對接這類需要進行軌道精準控制的操作，在大氣密度的實際值與預測值偏差較大的情況下，飛行器的實際飛行軌跡與預測的軌道就可能出現較大偏差，需要耗費更長的時間來不斷修正軌道，才能完成對接。

3、衛星定位與無線電通信的幹擾源

在距離地面60~1000公裡的區域中，存在著由帶電粒子組成的電離層。無線電信號能否穿過電離層、穿過電離層時信號參數發生的變化，都與電離層的性質有關。

例如，短波信號能夠跨越大洲傳播，利用的就是電離層對這個頻段無線電信號的反射；而地面與衛星通信時，則必須使用能夠穿透電離層的高頻信號。

電離層性質主要受到太陽活動的影響，一旦有耀斑發生，電離層的性質在耀斑發生的同時就會馬上產生變化，而日冕物質拋射吹襲地球時，引起的地磁暴同樣會誘發電離層性質的變化。

地面設備在接收北鬥、GPS等衛星定位系統所發射的定位信號，並由此推算位置信息時，已經考慮了電離層在一般情況下的性質。

而一旦電離層的性質由於空間天氣原因發生變化，定位信號的實際變化情況就會和設備中預置情況產生差異，定位設備的定位精度就會因此下降。

對於日常生活中的手機定位，由於定位精度的要求不高且能夠藉助手機基臺的位置進行較差定位，因此不會明顯的感受到空間天氣的影響。

然而，對於定向鑽井等野外高精度作業和新一代航空導航與儀表降落系統來說，電離層變化的定位精度降低足以幹擾他們的正常工作。

4、摧毀高壓電網的幕後黑手

地磁暴對社會生活的威脅，在於其可能對電網產生破壞。地磁暴引起的磁場的劇烈變化會在長距離高壓輸電線中產生強烈地磁感應電流，引起電網供電不穩或徹底崩潰。

1989年3月的地磁暴使得加拿大魁北克地區的電網癱瘓，數百萬人在寒冷中度過了沒有電能供應的夜晚。如果更加強烈的太陽風暴來襲，燒毀電網大型核心變壓器，電網將會發生長時間的癱瘓。

這是因為這些大型核心變壓器多為特別定製產品，沒有現成的貨架備份可供替換，一旦損壞，短時間內無法找到備件替換。電能是現代社會運作的基本條件，一旦失去供電，整個社會的運轉便會陷入停滯。

衛星如何應對空間天氣

目前，衛星常用的有三把抗輻照「雨傘」，既有防護措施，也有糾正措施，比較典型的有：三模冗餘、錯誤檢測與糾正、抗輻照加固晶片等。

●三模冗餘，顧名思義就是雞蛋不放在一個籃子裡，同樣的運行模塊要備三份，將三份模塊運行結果進行比對，是「少數服從多數」在航天領域的典型應用。

三模冗餘表決（來源：Altera&中國科普博覽）

三模冗餘的建立前提是高能粒子在同一時刻最多只能造成一份模塊運行異常，這種措施能夠有效降低單粒子翻轉，缺點是不能對出錯模塊進行修復，而且資源開銷大。

●錯誤檢測與糾正是通過約定的算法，將因輻照造成的錯誤的地方找出來並進行糾正。

該方法優點是對錯誤發生點能夠進行修復，缺點是如果錯誤發生點太多，算法也就失去作用。

錯誤檢測與糾正（來源：Slideserve&中國科普博覽）

●採取高性能的抗輻照加固晶片是抵抗單粒子翻轉的有效防護措施。

中國科學院計算技術研究所自主研發的龍芯抗輻照晶片目前已經應用於北鬥導航衛星上，實現了「中國芯」在太空中的運用，是衛星對抗高能粒子的保護傘。

有了這三把「雨傘」，在變化莫測的太空天氣中，就算有「風吹雨打」，衛星也能夠「勝似閒庭信步」了！

|本文內容來源：中國航天報、數字北京科學中心、科學大院、科普中國

[1].https://mp.weixin.qq.com/s/f5V5f_O32o_bReOxwi6GVg

[2].https://mp.weixin.qq.com/s/VrlkU2PUrDXftxDu8FiVtg

[3].https://mp.weixin.qq.com/s/mwWHRGgqwaT3d7Kah_EP4A

[4].https://cloud.kepuchina.cn/newSearch/imgText?id=6654088757866917888

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