低轨道|航天员也在的看“天气预报”_大气|地球|环境|航天器|人类

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宇宙就是一座黑暗森林，每个文明都是带枪的猎人，像幽灵般潜行于林间，轻轻拨开挡路的树枝，竭力不让脚步发出一点儿声音，连呼吸都必须小心翼翼：他必须小心，因为林中到处都有与他一样潜行的猎人……
——《三体》

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不管是过去还是现在
人类从未停止对星辰大海的探索
而我们的三位航天员
已经在中国空间站
工作、生活满一个月
【低轨道|航天员也在的看“天气预报”】

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神舟十二号飞船与天和核心舱交会对接模拟示意图
作为人类的“太空家园”
空间站对于开展多领域空间科学实验
和技术试验、空间应用
乃至探索宇宙都意义非凡
但正如科幻小说《三体》中所言
宇宙就像是一座黑暗森林
航天员和飞船
身处在这漆黑一片的森林时
很可能会遇到一些
危险的“不速之客”
其中就包括
空间天气
那么问题来了
空间天气包括关注太空的温度吗？
飞船在太空中会受到哪些空间天气影响？
航天员出舱需要看“空间天气预报”吗？
1
太阳打个“喷嚏” ，地球就“感冒”？
1859 年9 月1 日，英国天文学家理查·卡林顿在观测太阳黑子时发现其周围突然出现极为明亮的条状白光。数分钟后，英国格林尼治天文台和基乌天文台都监测到地磁场的剧烈波动。 17 个半小时后，地磁波动强度“爆表” 。

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空间天气示意图
同时，全球多地电报台站的发报机在闪着火花，而平时一般只在南北极地区才能见到的极光，一直延伸到了古巴和夏威夷。这就是人类遇到的最强空间天气太阳风暴——“卡林顿事件” 。

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美轮美奂的极光也是由空间天气引起的。
美国有报告称，40% 的航天器故障与空间天气有关。与地球上阴、晴、雨、雪、干、湿等天气一样，空间天气也有“风”“雨”等现象。不同的是，空间天气中的“风”是高速运动的等离子体流，而不像地球上是流动的空气团；空间天气中的“雨” ，也是由磁层沉降的带电粒子组成，而不是地球上云雾凝聚成的大小水滴。
而，太阳正是所有空间天气现象的“始作俑者” 。
太阳的外层大气从太阳表面喷出，形成充盈整个太阳系的太阳风，地球就浸泡其间，只不过有地球磁场作为天然屏障，我们才得以生存。

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太阳风是从太阳上层大气射出的超声速等离子体带电粒子流。
太阳不仅会“ 刮” 太阳风，偶尔还会“ 爆发”一下，来一场太阳风暴。一次太阳风暴释放的能量，相当于10 万至100 万次强火山爆发或上百亿枚百吨级氢弹的爆炸效果。

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太阳黑子
总之，太阳活动会导致太阳风和地球空间环境产生各种变化，从刺眼的耀斑到让信鸽迷路的磁暴，从“ 暴脾气” 的高能带电粒子流到威力惊人的“ 太阳海啸”—— 日冕物质抛射，这些都是航天器可能会碰到的危险因子。

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不同波长下五彩缤纷的太阳耀斑
2
如何与冷血的“黑暗之手”对抗？
7 月4 日，神舟十二号乘组航天员刘伯明、汤洪波身着中国自主研制的新一代“飞天”舱外航天服，先后从天和核心舱节点舱成功出舱。

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7月4日，实拍北京航天飞行控制中心大屏中国空间站航天员首次出舱。
舱外与舱内的环境截然不同。出舱后，航天员就进入一片“危险之地” 。
国际航空联合会将100 公里的高度定义为大气层和太空的界线，即“卡门线” ， “卡门线”之外的部分称为太空。
太空是一个接近真空的环境，没有物质分子的运动，热量很难进行传导，因此空间温度极低。通过对宇宙微波背景辐射进行测量，科学家计算出太空的平均温度为-270℃左右。
如果宇航员不穿航天服就走出舱外，后果非常可怕。由于没有氧气和外部气压，人类在15 秒甚至更短时间内就会昏迷，血液和体液会“ 沸腾” ，组织和器官会膨胀，不仅会遭受极端温差带来的伤害，还可能受到宇宙射线、带电粒子的攻击，以及高速移动的微小尘埃、岩石（微流星体）或空间碎片带来的撞击。

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空间天气对地球及卫星产生影响示意图
那么空间环境的变化对飞行器的影响又有多大呢？
钟秋珍介绍，影响低轨道飞行器运行安全的轨道空间环境主要是大气环境、高能辐射环境等。当太阳辐射突然增强或者发生地磁暴时，高层大气密度会迅速上升，导致低轨道上航天器的阻力增加，从而改变航天器的正常运行轨道，增大航天器定轨和轨道预测的误差。
除高层大气阻力影响航天器的轨道和寿命外，还有这些因素也会带来破坏——
原子氧剥蚀破坏航天器材料；
出现在地球附近的微小流星体，以及来自各种航天器并不断积累的空间碎片等，会以各种方式威胁空间站的安全；
高能带电粒子的轰击，可导致“单粒子事件”和星载材料、器件的性能衰退，太阳能电池输出功率下降；
等离子体能引起航天器表面带电，严重时电位可高达2 万伏，放电时的强电流可导致航天器彻底报废，放电发出的电磁辐射也会干扰航天器的工作；
太阳发出的紫外辐射、X 射线等高能电磁辐射，使高层大气温度增加，改变航天器表面材料的特性，增加大气阻力，使航天器提前陨落……
3
航天员出门要“看天”吗？
在地球周围有一个名为“ 范艾伦辐射带”的空间区域，它大致分成1500～5000 公里和13000～20000 公里的高度范围，在有空间天气扰动的时候还会向上向下扩张。这一区域有能量非常高、密度也非常大的带电粒子，对在其中飞行的飞行器和人体伤害很大。

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范艾伦辐射带
为此，综合考量发射成本、观测需求，以及航天员的健康和飞行器、仪器设备的安全等因素，科学家一般把空间站飞行的高度设定在400 公里附近。目前仍在轨运行的国际空间站和我国正在建造的空间站都处于这一高度附近。
然而，在太阳活动爆发期，空间辐射大大增强，航天器及航天员都面临严峻考验。在2006年12 月的一次较强太阳活动爆发中，美国国家航空航天局就曾紧急命令正在太空行走的航天员进入空间站，以躲避可能造成的伤害。

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辐射带对地球及卫星产生影响示意图
因此，为了最大限度地减弱空间辐射，选择合理的出舱时机就变得很重要。这时，一份监测空间环境变化的天气预报就必不可少。
对太阳辐射、太阳质子事件（太阳爆发活动产生的高能带电粒子流）、地磁暴等空间环境要素进行监测、预报和影响分析，评估空间环境变化对空间站可能带来的威胁，可协助空间站系统和航天员及时规避未知的空间环境危害。
需要注意的是，受太阳活动影响，地球周围空间环境状态在不断变化。太阳活动既有长至11 年周期的变化，也有短短十几分钟的爆发。要准确预报空间环境，需要参考的要素和数据有很多，加之空间环境的扰动过程非常复杂，所以预报难度要远远大于普通的天气预报。
空间天气

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近年来，我国空间天气预报业务能力有了长足进步。