空间天气的影响

刮风、下雨等天气现象对人类生产生活的影响是显而易见的。它决定着我们能否外出活动，决定着我们是穿T恤还是穿棉袄，影响着交通安全，影响着粮食收成，等等。空间天气却不同。它指的是磁场的变化、电场的变化、辐射的变化、等离子体的变化等现象，是我们无法直接感知的。但很多现代化的设备却可以真切地感受到这些变化。随着人类社会越来越依赖这些现代化的设备，空间天气跟日常的天气现象一样深刻地影响着我们的生产生活。通信、广播、导航、航空航天、长距离油气管线、输电网等都有可能受到空间天气的影响。

图1 空间天气对人类活动的影响示意图

太阳活动产生的高能粒子经过一到两天的星际之旅后，与地球邂逅，首先扰乱的是地球的磁场，这时可能会发生地磁暴。人类的身体感受不到地磁暴的影响，但对于能够感觉到磁场的鸟类来说就遭殃了。因为地磁暴的发生，鸟类的导航系统会受到影响。比如信鸽会出现成千上万只一起迷失的现象，驯养信鸽的人会因此蒙受巨大损失。

紧接着，日冕物质抛射产生的高能粒子会影响到地球的电离层。电离层因此变得坑洼不平、薄厚不一。全球卫星定位系统的信号会发生剧烈的抖动，严重时影响定位精度甚至完全失效。

最后，高能粒子与地球的最后一层屏障——大气层相遇。稠密的大气分子与高能粒子发生着激烈的碰撞，使得它们的能量和速度极大地衰减，但同时却产生了大量的“次级辐射”。这些“次级辐射”粒子可以轻松的穿透飞机座舱，特别是对跨越南北极区飞行的乘客和机组成员造成较地面高十几甚至是几百倍的辐射计量。

• 空间天气对远距离短波通信和卫星通信的影响

所谓短波，也就是波长在10~100米之间的无线电波，对应的频率是3~30兆赫兹，基本上低于电离层的临街频率。这类无线电波不能穿透电离层，而会被电离层反射回地面。远距离短波通信就是靠电离层对短波信号的反射来实现的，其通信距离较远，是远程通信的主要手段。这种通信方式肇始于1901年马可尼横跨大西洋的通信实验，有着悠久的历史。尽管新型无线电通信系统不断涌现，这一古老的通信方式仍然受到全世界的普遍重视，因为它有着其他通信系统所不具备的优点。特别是在发生战争或者灾难的情况下，其他通信系统容易遭到破坏，但短波通信由于不受网络枢纽的制约，可以幸免于难。

图2 电离层与远距离短波通信

短波通信的最高和最低可用频率取决于电离层的电子密度。电离层的快速变化会导致短波通信信道衰落，甚至引起通信中断。太阳爆发产生的电离层对短波的吸收效应也可能引起短波通信中断。2001年４月发生的强烈太阳活动事件，引发电离层强烈扰动，导致短波通信中断。期间发生了美国飞机在海南撞毁我国战斗机的事件，电离层扰动对我军的搜救工作产生直接影响。2000年6～7月，受灾害性空间天气影响，我国北方地区新乡至满洲里的短波通信遭受严重干扰，通信中断最长达17个小时。这种事件不胜枚举，由此可见电离层天气对短波通信的重要性。

图3 宽带卫星通信系统

随着人类进入航天时代，卫星通信就成为必不可少的一项技术，如星地之间的所有信息沟通都依赖于卫星通信。2013年6月20日，中国女航天员王亚萍向全国的中小学生进行了一场“太空授课”，40分钟高质量的天地通话展示了我国高水平的卫星通信技术。为了确保卫星通信的质量，电离层的影响是必须要考虑的因素。信号在穿透电离层时，电离层快速随机变化引起的信号闪烁会导致信噪比下降，误码率上升，严重时使卫星通信链路中断。我国的台湾——广州一线以南的地区属于电离层闪烁的高发区，海事卫星通信在这些地区经常出现中断现象。伊拉克战争中，美军“自相残杀”的误击、误伤事件接连不断。国外有专家指出，除了人为原因外，与空间天气也有一定联系。1989-1990年美国在巴拿马的军事行动期间多次发生的指挥自动化系统中断事件也是由于严重的电离层闪烁导致的。

• 空间天气对卫星导航的影响

卫星导航的原理是测量导航接收机到多颗卫星的距离，在已知卫星位置的前提下求解导航接收机的位置。实际上，卫星导航也是一种特定的卫星通信。导航信号穿过电离层产生的误差是重要的误差源之一。因此，电离层的任何扰动都将对卫星导航系统造成严重影响。

图4 卫星导航系统示意图

空间天气灾害事件期间，电离层扰动造成信号的传播时延（无线电信号在介质中的传播速度比真空中要慢一些，这就是传播时延）发生变化，而导航系统正是通过信号传播的时延来计算距离的。时延的显著变化会影响系统的定位精度。另外，电离层里边的一些密度不均匀结构会导致导航信号像星光一样地闪烁，造成信噪比下降。当信噪比小于导航信号接收机设计的最小接收域值时，就会发生卫星失锁现象，造成接收机无法正常工作。

我国的“北斗二代”系列卫星2009年起进入组网高峰期，预计在2020左右年形成覆盖全球的由三十几颗卫星组成的全球导航定位系统。北斗二代的导航定位精度要优于美国目前的GPS导航系统。然而，电离层扰动能导致对导航定位精度误差高达百米的影响，这是在系统的设计和使用过程应予以充分重视。

图5 我国的“北斗”导航星座

此外，对于导弹、卫星和飞船等目标进行跟踪、测轨和定位的系统而言，电离层扰动会在利用无线电进行距离测量的过程中引入额外时延，在角度测量过程中引入折射弯曲效应，在速度测量过程中引入电离层附加多普勒频移，在相位测量过程中引入相位超前和相位色散，从而导致系统的精度降低。

• 空间天气对输电网络和输油管道的影响

输电网络是现代社会的能源生命线。2008年，我国南方出现建国以来罕见的低温、雨雪和冰冻天气，导致电网大面积瘫痪，社会经济生活受到严重影响。迄今为止，这应该是我们对电网故障最深刻的记忆。殊不知，另一个威胁电网安全的“恶魔”正躲在暗处，伺机而动。我们都知道，变化的磁场会产生电场。在灾害性空间天气所导致的磁暴期间，地磁场的剧烈变化会在地表感应出感生电流。感生电流沿着电网的接地线窜入变压器，使其产生半波饱和，严重时可烧毁变压器。

图6 电网

作为空间天气影响人类技术系统的经典例证，1989年发生于北美地区的大规模断电事件已为越来越多的科学家和普通民众所熟悉。1989年，正处于第22太阳活动周的峰期。3月13日凌晨，一阵光弧之后，路灯黑了，楼宇黑了，夜总会黑了，整个不夜城黑了。施虐的祸首是50年以来第二强的地磁暴。磁暴产生了强大的感生电流，冲击了魁北克水电站的变压器和储能器，使魁北克水电站遭到毁灭性的打击。电网瘫痪，600万居民在无电的冬天度过了9小时，直接经济损失达5亿美元。虽然我国大部分区域纬度不高，但电网安全也受到空间天气的威胁。科学家分析了2004年广东电网线路故障和空间天气之间的对应关系，发现53%的电力系统故障与空间天气扰动状态存在对应关系。

图7 不夜城魁北克

地磁暴产生的感生电流不但会对输电网络和通讯电缆产生危害，也会影响地表油气管线的安全。强磁暴时，每公里的输油管线上有6伏特的感生电压。也就是说在1000公里长的输油管道上，感生电压高达6000伏特。美国阿拉斯加输油管线上有1000安培的电流流过（家用插线面板的电流设计等级一般为10安培）。如此强大的感生电流，会影响流量计的正常计数，甚至损坏流量计，也会加速管线的腐蚀。

图8 输油管线