打車GPS定位不準？可能空間天氣在搗鬼
出品：中國科普博覽 SELF格致論道講壇
導語：在地面30公里以上，在我們仰望不到的地方，有著不一樣的「天氣」變化，科學家們稱之為「空間天氣」，它影響著我們的衛星、通訊系統、電力系統的運行。陳艷紅是研究空間天氣的科學家之一，作為中國科學院國家空間科學中心的副研究員、空間環境研究預報室研究組組長，她和她的同事們長期從事空間天氣的預報工作，相繼參與了神舟六號、神舟七號、天宮一號和嫦娥一號、嫦娥二號等重大航天工程的空間環境保障任務。
如果大家去過南極或者北極，或者去過美國的阿拉斯加，就可以看過這樣的景象。
這就是美麗的極光。
極光它是怎麼產生的呢，它在什麼時候會發生呢，我先不告訴大家，先賣個關子。
陳艷紅中科院「SELF格致論道」講壇第六期
這是從太空中拍攝的地球大氣層的分層情況，非常漂亮。實際上，我們現在每個人關注的天氣的陰晴雨雪的變化，來自於地球對流層的大氣運動。對流層的高度在地面以上至10~20公里的地方，在20公里到平流層30公里的地方是我們飛機飛行的區域。也就是說我們普通人所關注和所能夠到達的地方，也就是在地面30公里以下的區域。
在地面30公里以上還有很多很多很有趣又與我們生活很緊密的東西。比如我們男孩子關注的超音速飛行器，它的飛行範圍大概在地面二三十公里到一百公里範圍內。還有我們的流星，每天都有流星，數量比較少，你們有什麼願望每天都可以許願的。我們流星高度大概60到120公里高度上。現在大家都知道國際空間站是在330公里高度上，還有我們剛才大家過來的時候都用GPS導航，GPS衛星在什麼高度上呢？兩萬公里。
在與我們地球相對靜止的36000公里的同步軌道上，密密麻麻分布著一圈人類各種通訊衛星和應用衛星。這些衛星和航天器生活的環境和我們人類地面上生活環境完全不一樣，我們稱它為空間環境。它的範圍非常廣，包括從地面大約30公里以上到整個太陽的區域範圍內，在這個裡面有一個很重要的區域，就是地球磁場與太陽風相互作用形成的像一個罩子的區域，我們叫它磁層。正是因為磁層，保護著我們和我們上空的這些衛星免受於太陽風的直接攻擊。
空間環境和地面環境不一樣，我們地面環境可能大家關注的是今天的溫度是多少，今天有沒有風，有沒有下雨。空間環境關注的不同，主要關注太陽輻射的強度，還有空間當中各種粒子濃度大小，還有磁場的強度大小。
空間環境也不是永遠一成不變的，也是時時刻刻發生演變的，這種空間環境變化我們叫做空間天氣。和地面天氣一樣，空間天氣和地面天氣一樣會發生劇烈變化，也會發生災害性的變化，就像我們地面上會發生颱風、龍捲風，還有暴風雪一樣，它的災害性的變化來自於太陽，所以我們叫做太陽風暴。太陽風暴主要有三種攻擊形式來攻擊地球，第一種，光的輻射增強，就是太陽耀斑，它到達地球的速度很快，也就8分鐘；第二種，太陽會噴射出能量非常高的帶電粒子。到達地球需要幾十分鐘到幾個小時；第三種影響範圍最廣，太陽的日冕物質向外噴出，大概一到四天後，到達地球空間，引起地球的磁層像海嘯一樣發生擾動，引起空間天氣各種變化。
陳艷紅中科院「SELF格致論道」講壇第六期
這種變化有什麼影響呢，我先給大家看一個很短的視頻。
魁北克大停電事故，當時造成魁北克地區600萬人9個小時沒有電可以用，造成這次事故是不是人為的事故，或者是不是恐怖襲擊呢？後來經過分析發現不是，它其實就是一次自然災害，它的元兇就來自於太陽。在這次停電事故三天前，太陽發生了非常強烈的太陽風暴，太陽噴射出的日冕物質，在三天後到達地球空間，引起地球磁場發生劇烈擾動，引發特別大的電磁暴。學過物理的人知道，地球磁場的擾動會產生電流，所以地面這種長的輸電線路上，就會有很強的感應電流，高緯度地區特彆強，而加拿大就屬於高緯度地區，導致整個電力癱瘓。有意思的是，美國地理位置和加拿大是差不多的，它應該也受這種影響，但是美國因為提前知道了這個空間天氣的信息，所以它們採取了一些措施，所以它們損失也就小一些。
魁北克事件使得人們對空間天氣引起了極大的關注。實際上，空間天氣所產生的影響還不僅僅是電網，它在很多方面都會對我們的生活產生影響。我們剛才說的極光，就是太陽爆發的時候，高能粒子進入我們地球上空比較低的地方，與大氣相互作用產生的現象。極光是我們人類唯一能夠用眼睛看到的空間天氣現象。
另外空間天氣影響我們衛星的元器件，造成衛星損傷或者是直接失效；還會引起對我們正在空中作業的航天員身體造成危害；還有剛才我們說的GPS導航，還有我們國家自己的北斗導航衛星——信號穿過整個大氣層，它的折射效應就會引起定位誤差，當空間天氣發生劇烈變化的時候，它的誤差就會增大；還有就是我們在坐飛機的時候，如果我們坐國際航班，一般都是跨極區飛行，這對人體輻射效應就會增強，所以這個時候航空公司往往就會繞開極光線路，更改其他線路，這種都會增加額外的經濟負擔。
《2012》這個電影相信很多人都看過，它的背景是瑪雅傳說，其實還有另外一個背景，大家可能不是很清楚，就是太陽風暴。這個電影最開始的時候，有一個鏡頭是太陽風暴爆發的鏡頭，這就是它的另外一個背景。2008年的時候，美國科學院向國家提供了一個報告，叫做「極端的空間天氣事件對經濟和社會的影響」，報告指出了在當今社會我們人類如此依賴我們的衛星，如此依賴我們這些技術系統，而一旦發生一次非常強的太陽風暴，這些系統可能都將受到損害，我們人類的整個經濟將會倒退。這個報告強調的是超強太陽風暴對經濟的影響，後來媒體將它誇大，甚至有人謠傳2012年超強風暴會引起世界末日。
空間天氣也是可以預報的，因為空間天氣源頭來自於太陽。如果我們對太陽規律研究比較清楚，我們知道它們什麼時候爆發，或者是我們觀測到它們的爆發，我們可以提前幾天預測地球空間天氣的變化，另外我們在平衡點L1點觀測太陽爆發的物質和能量，傳輸這個位置變化的情況，我們也能預測地球風險變化。
另外，我們在地面上和在地球的上空實時監測空間天氣的變化，這一點也是非常重要的，因為空間天氣我們人類無法感知。我們現在坐在這裡，有可能現在地磁正在發生擾動，太陽就正在發生大的爆發，但是對於我們來說一點感覺都沒有。
空間天氣預報主要是利用地基與天基監測，地基監測包括太陽觀測望遠鏡，還包括無線電雷達，還有光學的雷達等等來觀測我們各個層，各個區域環境的變化。在天上，我們在一些重要區域要放一些衛星可以直接探測粒子的濃度，也可以直接對太陽、大氣進行拍照也可以進行監測。我們做空間天氣預報主要將這些數據匯聚起來，然後經過科學的分析和處理，得到預報結果。這裡就有很多科學研究的課題在裡面。給大家舉一個比較簡單的例子，太陽活動是有11年周期性的，這種周期性怎麼知道的呢，根據長期的太陽黑子觀測記錄，經過分析發現它變化的周期是十一年，根據這種變化規律我們採用一定方法可以預測未來11年的變化。目前我們正處在第24個太陽活動周，第24太陽活動周的高年就是2012年，也就是說2012年是太陽爆發高年，這可能也是謠傳2012年是世界末日的原因之一。我們今年2016年是處在太陽活動從高年向低年轉變的階段。
我來自於中科院國家空間中心，我們國家空間中心有專門部門做空間天氣預報工作，我們叫做空間環境預報中心簡稱預報中心，我們是1992年與我國載人航天工程一塊成立的，我們一直為神州系列飛船、天宮一號、馬上發射的天宮二號、嫦娥系列，空間科學先導衛星系列做空間天氣預報服務，包括前段時間發射的實踐十號衛星，還有即將發射的量子衛星等等。
1999年是神州一號發射的這一年。在原來預計時間發射前大概一個星期，發現它電路有問題，需要將神州一號整個重新檢修組裝，最後定於11月18日發射，但是11月18日對於我們空間天氣預報的來說，並不是一個非常好的時間，因為這一天我們預測到正是流星雨爆發的峰值時間，流星爆發的時候，它會產生非常多的流星碎片，這些碎片與飛船碰撞的概率就會大大增加。我們當時做空間預報的團隊，就把這個結果報告給了神州一號工程總指揮部，他們很重視，決定將神州一號時間再次推遲。經過分析如果推遲24小時，這種碰撞的概率會降到千分之六，如果再推遲24小時，就會降到萬分之一，最後為了保證神州一號的安全，將神州一號發射時間推遲到了1999年11月20號，這一天也成為我國載人航天載入史冊的一天。
神州七號是2008年發射的，神州七號給大家的印象最深的是航天員出倉這件事情，也就是我國第一次航天員出倉進行太空活動。航天員出倉的時機要看空間天氣，絕對不會選在我們太陽正在爆發高能粒子的時間，因為高能粒子對航天員身體損傷很大。
這是神州七號在太空中真實的照片，這個真實照片大家知道是誰拍的么？是神州七號自身帶的一個小小的守護神拍攝的。實際上，在神州七號發射的時候，有一個小衛星伴著它上去了，通過航天員手動將衛星放出去圍繞神州七號進行繞飛。因為飛船和小衛星隔的非常近，一旦出現差錯就會出現兩敗俱傷的情況。因為我們需要在地磁非常平靜的時候來進行這個操作，這些都需要我們空間天氣預報信息的支持。
說了這麼多，大家可能覺得空間天氣主要為這些重大工程服務的，跟我們有多大關係呢？實際上，我們也有很多用戶來自於民間。
信鴿協會發現他們信鴿回來的數量與放出去的數量比，與我們地磁預報很相關，如果我們預報地磁有擾動的話，信鴿回來數量就很少。這其實很好理解，信鴿靠地磁來導航，一旦地磁出現擾動，它的導航可能出現問題，找不到它的家。對於一個信鴿愛好者來說，一個信鴿的價格大概是一千塊錢到幾千塊錢之間，也是不小的損失。每次到周末天氣好的時候，周五他們就會給我們打電話，就會問這個周末適不適合做信鴿比賽，什麼時候做比較好，我們也非常高興能為他們做這個服務。
相對於地面天氣預報能力來說，空間天氣預報能力差距還是非常大的，因為它的發展就是近幾十年的事情。這個表大家不需要看懂，只需要知道裡面有很多空白就可以了，這說明我們有很多地方需要我們空氣天氣預報，但是我們現在還沒有能力做到，這不僅光是國內的現狀，也是目前的國際水平，因為空間天氣預報是個非常年輕的領域，在我國也就是二三十年的歷史。我們這個團隊也非常年輕，我在裡面算是資歷比較老的了。我們團隊里有很多90後、80後的年輕人，也希望以後有更多的年輕人參與進來。現在我們每個人都離不開北斗導航、GPS導航衛星為我們導航定位，我們每個人都離不開衛星電視、離不開衛星通訊，未來人類還要進行太空旅遊，到那個時候，空間天氣將更加重要。
我們人類想像有多遠，我想我們就能夠走到多遠，謝謝大家。
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