蝌学最前沿 | 当太阳风暴抵达地球：空间天气如何影响现代社会？

近几年，极光几次“南下”来到中国：

2023年12月，人们在北京怀柔罕见地拍到极光；

在怀柔拍到的极光。

图片来源：浦石

2024年5月，漠河等地的夜空再次被染红；

同年10月，内蒙古四子王旗的极光持续超过5小时；

2025年11月，黑龙江鹤岗、内蒙古额尔古纳湿地和新疆乌鲁木齐等多地网友发布他们拍摄的美丽极光……

黑龙江哈尔滨出现的红色极光

图片来源：耕石

对公众来说，这是难得的美景；而对科学家来说，它们也是空间天气的醒目信号。

那么，今天我们就来聊聊，这位藏在极光背后的“神秘主角”。

没有阴晴雨雪，太空怎么也有“天气”？

答案就藏在太阳里。

实际上，太阳看似安静，却一直在暗流涌动，时常会产生一些爆发现象：有时突然强光闪耀，有时向太空抛出大量携带磁场的等离子体。前者叫耀斑，后者叫日冕物质抛射。

耀斑产生的强辐射大约8分钟就能到达地球；日冕物质抛射则通常需要一至数天才能抵达地球。当日冕物质抛射从正面轰击地球时，可以剧烈压缩和扰动地球磁场并引发“地磁暴”现象。

我们通常把太阳活动引起地球附近的太空环境变化称为空间天气。极光就是空间天气产生的绚丽风景。

与此同时，一系列的风险也随之而来。

太阳风暴冲击地球磁场

图片来源：NASA

空间天气如何影响人类生活？

一般情况下，空间天气不会直接危害地面人群的健康，但会影响航空航天等高科技领域。

首先受到影响的是通信导航。地球的电离层可以通过反射短波信号来实现长距离通讯，北斗、GPS等卫星导航信号也必须穿过它。

太阳爆发时，电离层的电子密度会迅速变化，影响短波通信，并降低导航定位精度。2024年5月特大地磁暴期间，我国部分地区的电离层总电子含量降至平时的十分之一左右，部分时段更低，使得多台电离层测高仪一度无法接收到正常回波，严重干扰了电波传播系统。

地磁暴期间，地球大气膨胀，

增加了卫星阻力，使其轨道越来越低

图片来源：NASA

人造卫星和载人航天任务也会受到影响。地磁暴会使高层大气受热膨胀，增加低轨卫星受到的阻力，使其轨道更快下降。

2022年，SpaceX发射的49颗星链卫星在进入低轨后不久便遭遇地磁暴，其中38颗坠落；2023年4月的一次特大地磁暴期间，风云三号G星轨道异常下降约560米，好在运行团队随后通过轨道调整保障了卫星正常运行。太阳爆发释放的高能粒子还可能穿透航天器屏蔽，干扰电子设备，同时增加航天员的辐射风险。

航空系统同样会受影响。高纬度尤其是极区航线较依赖短波及卫星通信，太阳活动剧烈时可能需要调整航线或飞行计划。

2025年，美国一架A320客机发生短暂的非指令性俯冲，被迫紧急迫降。空客表示，原因可能是太阳爆发产生的高能粒子击中飞机电子器件，导致飞行控制系统失灵。

最终，空客宣布立即召回约6000架飞机进行维修，并为新生产的A320安装升级版抗辐射软件，确保安全冗余。

此外，空间天气还可能干扰信鸽归巢。信鸽会借助地磁场判断方向，因此我国气象部门建议在强地磁暴期间暂停或减少司放。

航天工程如何应对空间天气？

人类无法阻止太阳爆发，但可以在航天设备的设计阶段增强防护。关键设备通常会采用抗辐射元器件，降低高能粒子造成故障的风险。

太阳爆发来临时，卫星可以暂时关闭敏感仪器或进入安全模式；低轨卫星还需根据大气密度变化，及时调整轨道；载人任务则可推迟出舱活动，让航天员进入防护更好的舱段。

这些措施能否及时实施，关键在于能否尽早预报空间天气的影响。因此，我们需要建立准确且及时的空间天气监测预报体系。

怎样预报空间天气？

目前，我国已经建成和正在布局一批空间天气的“国之重器”，用于监测太阳风暴从爆发、传播到影响地球的全过程。

地面上，子午工程构成了我国空间天气监测的基础网络。一期工程以十字形监测链记录我国上空的空间环境；二期于2025年通过验收，将监测网扩展为井字形，形成覆盖太阳、电离层和中高层大气等的综合观测体系，实现从太阳爆发、行星际传播到地球响应的链式监测。

在此基础上，我国牵头提出了国际子午圈大科学计划，将通过不同国家的观测站接力，扩大空间天气监测的时间和空间范围。

我国太阳立体探测初步布局示意图

图片来源：陈雨豪、田晖  提供

地面织网的同时，还需在太空开展监测。为此，我国正在构建太阳的立体探测体系。首先，我们要在地球附近持续观测太阳。

目前，“羲和”和“夸父一号”两颗卫星已完成相应部署，正从地球视角对太阳爆发活动等进行监测。另外风云系列气象卫星也携带了多台设备监测太阳活动与空间天气。

接下来，“羲和二号”计划前往日地L5点，从偏离日地连线的位置侧面观测太阳。相对地球视角，它可以提前看到太阳爆发源区，有利于更早预报太阳爆发；并且，结合L5侧向与地球正向的双视角观测，可重建太阳爆发的三维结构，有利于精准判断传播过程。

“夸父二号”（太阳极轨天文台）则计划飞离黄道面，实现人类首次对太阳极区的正面成像。它将与黄道面附近的探测器形成上下结合的立体视角，俯瞰日冕物质抛射向各个方向传播的过程。

同时，它能够提供过去没法准确观测的太阳极区磁场信息，为科学家补齐太阳风暴的预报模型中长期缺失的重要一环。

当风暴抵达地球附近，中欧联合研制的“微笑”卫星将拍摄地球磁层边界，观测太阳风如何冲击地球磁场。该卫星已于2026年6月进入科学轨道，目前正在开展在轨调试。

这些观测数据告诉科学家“现在发生了什么”，但还需要结合计算机模拟来帮助人们判断“接下来会怎样”，包括：太阳爆发能否发生，何时到达地球，能否产生地磁暴，对电离层、卫星轨道和航空通讯等系统造成多大影响。因此，基于观测数据建立可靠的数值模型也是空间天气预报的重要手段。

当下一次极光点亮中国夜空时，震撼我们的不再仅仅是绚丽的光幕，还有一张由“国之重器”织就的监测网，正在天地之间默默守护现代文明的稳步发展。

作者：

陈雨豪  北京大学地球与空间科学学院 博士后

田晖  北京大学地球与空间科学学院 教授 博士生导师

审核：刘颖 李培元 张超 杨柳