刮風(fēng)、下雨等天氣現(xiàn)象對人類生產(chǎn)生活的影響是顯而易見的。它決定著我們能否外出活動，決定著我們是穿T恤還是穿棉襖，影響著交通安全，影響著糧食收成，等等?？臻g天氣卻不同。它指的是磁場的變化、電場的變化、輻射的變化、等離子體的變化等現(xiàn)象，是我們無法直接感知的。但很多現(xiàn)代化的設(shè)備卻可以真切地感受到這些變化。隨著人類社會越來越依賴這些現(xiàn)代化的設(shè)備，空間天氣跟日常的天氣現(xiàn)象一樣深刻地影響著我們的生產(chǎn)生活。通信、廣播、導(dǎo)航、航空航天、長距離油氣管線、輸電網(wǎng)等都有可能受到空間天氣的影響。

圖1 空間天氣對人類活動的影響示意圖

太陽活動產(chǎn)生的高能粒子經(jīng)過一到兩天的星際之旅后，與地球邂逅，首先擾亂的是地球的磁場，這時可能會發(fā)生地磁暴。人類的身體感受不到地磁暴的影響，但對于能夠感覺到磁場的鳥類來說就遭殃了。因為地磁暴的發(fā)生，鳥類的導(dǎo)航系統(tǒng)會受到影響。比如信鴿會出現(xiàn)成千上萬只一起迷失的現(xiàn)象，馴養(yǎng)信鴿的人會因此蒙受巨大損失。

緊接著，日冕物質(zhì)拋射產(chǎn)生的高能粒子會影響到地球的電離層。電離層因此變得坑洼不平、薄厚不一。全球衛(wèi)星定位系統(tǒng)的信號會發(fā)生劇烈的抖動，嚴重時影響定位精度甚至完全失效。

最后，高能粒子與地球的最后一層屏障——大氣層相遇。稠密的大氣分子與高能粒子發(fā)生著激烈的碰撞，使得它們的能量和速度極大地衰減，但同時卻產(chǎn)生了大量的“次級輻射”。這些“次級輻射”粒子可以輕松的穿透飛機座艙，特別是對跨越南北極區(qū)飛行的乘客和機組成員造成較地面高十幾甚至是幾百倍的輻射計量。

• 空間天氣對遠距離短波通信和衛(wèi)星通信的影響

所謂短波，也就是波長在10~100米之間的無線電波，對應(yīng)的頻率是3~30兆赫茲，基本上低于電離層的臨街頻率。這類無線電波不能穿透電離層，而會被電離層反射回地面。遠距離短波通信就是靠電離層對短波信號的反射來實現(xiàn)的，其通信距離較遠，是遠程通信的主要手段。這種通信方式肇始于1901年馬可尼橫跨大西洋的通信實驗，有著悠久的歷史。盡管新型無線電通信系統(tǒng)不斷涌現(xiàn)，這一古老的通信方式仍然受到全世界的普遍重視，因為它有著其他通信系統(tǒng)所不具備的優(yōu)點。特別是在發(fā)生戰(zhàn)爭或者災(zāi)難的情況下，其他通信系統(tǒng)容易遭到破壞，但短波通信由于不受網(wǎng)絡(luò)樞紐的制約，可以幸免于難。

圖2 電離層與遠距離短波通信

短波通信的最高和最低可用頻率取決于電離層的電子密度。電離層的快速變化會導(dǎo)致短波通信信道衰落，甚至引起通信中斷。太陽爆發(fā)產(chǎn)生的電離層對短波的吸收效應(yīng)也可能引起短波通信中斷。2001年４月發(fā)生的強烈太陽活動事件，引發(fā)電離層強烈擾動，導(dǎo)致短波通信中斷。期間發(fā)生了美國飛機在海南撞毀我國戰(zhàn)斗機的事件，電離層擾動對我軍的搜救工作產(chǎn)生直接影響。2000年6～7月，受災(zāi)害性空間天氣影響，我國北方地區(qū)新鄉(xiāng)至滿洲里的短波通信遭受嚴重干擾，通信中斷最長達17個小時。這種事件不勝枚舉，由此可見電離層天氣對短波通信的重要性。

圖3 寬帶衛(wèi)星通信系統(tǒng)

隨著人類進入航天時代，衛(wèi)星通信就成為必不可少的一項技術(shù)，如星地之間的所有信息溝通都依賴于衛(wèi)星通信。2013年6月20日，中國女航天員王亞萍向全國的中小學(xué)生進行了一場“太空授課”，40分鐘高質(zhì)量的天地通話展示了我國高水平的衛(wèi)星通信技術(shù)。為了確保衛(wèi)星通信的質(zhì)量，電離層的影響是必須要考慮的因素。信號在穿透電離層時，電離層快速隨機變化引起的信號閃爍會導(dǎo)致信噪比下降，誤碼率上升，嚴重時使衛(wèi)星通信鏈路中斷。我國的臺灣——廣州一線以南的地區(qū)屬于電離層閃爍的高發(fā)區(qū)，海事衛(wèi)星通信在這些地區(qū)經(jīng)常出現(xiàn)中斷現(xiàn)象。伊拉克戰(zhàn)爭中，美軍“自相殘殺”的誤擊、誤傷事件接連不斷。國外有專家指出，除了人為原因外，與空間天氣也有一定聯(lián)系。1989-1990年美國在巴拿馬的軍事行動期間多次發(fā)生的指揮自動化系統(tǒng)中斷事件也是由于嚴重的電離層閃爍導(dǎo)致的。

• 空間天氣對衛(wèi)星導(dǎo)航的影響

衛(wèi)星導(dǎo)航的原理是測量導(dǎo)航接收機到多顆衛(wèi)星的距離，在已知衛(wèi)星位置的前提下求解導(dǎo)航接收機的位置。實際上，衛(wèi)星導(dǎo)航也是一種特定的衛(wèi)星通信。導(dǎo)航信號穿過電離層產(chǎn)生的誤差是重要的誤差源之一。因此，電離層的任何擾動都將對衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)造成嚴重影響。

圖4 衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)示意圖

空間天氣災(zāi)害事件期間，電離層擾動造成信號的傳播時延（無線電信號在介質(zhì)中的傳播速度比真空中要慢一些，這就是傳播時延）發(fā)生變化，而導(dǎo)航系統(tǒng)正是通過信號傳播的時延來計算距離的。時延的顯著變化會影響系統(tǒng)的定位精度。另外，電離層里邊的一些密度不均勻結(jié)構(gòu)會導(dǎo)致導(dǎo)航信號像星光一樣地閃爍，造成信噪比下降。當(dāng)信噪比小于導(dǎo)航信號接收機設(shè)計的最小接收域值時，就會發(fā)生衛(wèi)星失鎖現(xiàn)象，造成接收機無法正常工作。

我國的“北斗二代”系列衛(wèi)星2009年起進入組網(wǎng)高峰期，預(yù)計在2020左右年形成覆蓋全球的由三十幾顆衛(wèi)星組成的全球?qū)Ш蕉ㄎ幌到y(tǒng)。北斗二代的導(dǎo)航定位精度要優(yōu)于美國目前的GPS導(dǎo)航系統(tǒng)。然而，電離層擾動能導(dǎo)致對導(dǎo)航定位精度誤差高達百米的影響，這是在系統(tǒng)的設(shè)計和使用過程應(yīng)予以充分重視。

圖5 我國的“北斗”導(dǎo)航星座

此外，對于導(dǎo)彈、衛(wèi)星和飛船等目標(biāo)進行跟蹤、測軌和定位的系統(tǒng)而言，電離層擾動會在利用無線電進行距離測量的過程中引入額外時延，在角度測量過程中引入折射彎曲效應(yīng)，在速度測量過程中引入電離層附加多普勒頻移，在相位測量過程中引入相位超前和相位色散，從而導(dǎo)致系統(tǒng)的精度降低。

• 空間天氣對輸電網(wǎng)絡(luò)和輸油管道的影響

輸電網(wǎng)絡(luò)是現(xiàn)代社會的能源生命線。2008年，我國南方出現(xiàn)建國以來罕見的低溫、雨雪和冰凍天氣，導(dǎo)致電網(wǎng)大面積癱瘓，社會經(jīng)濟生活受到嚴重影響。迄今為止，這應(yīng)該是我們對電網(wǎng)故障最深刻的記憶。殊不知，另一個威脅電網(wǎng)安全的“惡魔”正躲在暗處，伺機而動。我們都知道，變化的磁場會產(chǎn)生電場。在災(zāi)害性空間天氣所導(dǎo)致的磁暴期間，地磁場的劇烈變化會在地表感應(yīng)出感生電流。感生電流沿著電網(wǎng)的接地線竄入變壓器，使其產(chǎn)生半波飽和，嚴重時可燒毀變壓器。

圖6 電網(wǎng)

作為空間天氣影響人類技術(shù)系統(tǒng)的經(jīng)典例證，1989年發(fā)生于北美地區(qū)的大規(guī)模斷電事件已為越來越多的科學(xué)家和普通民眾所熟悉。1989年，正處于第22太陽活動周的峰期。3月13日凌晨，一陣光弧之后，路燈黑了，樓宇黑了，夜總會黑了，整個不夜城黑了。施虐的禍?zhǔn)资?0年以來第二強的地磁暴。磁暴產(chǎn)生了強大的感生電流，沖擊了魁北克水電站的變壓器和儲能器，使魁北克水電站遭到毀滅性的打擊。電網(wǎng)癱瘓，600萬居民在無電的冬天度過了9小時，直接經(jīng)濟損失達5億美元。雖然我國大部分區(qū)域緯度不高，但電網(wǎng)安全也受到空間天氣的威脅?？茖W(xué)家分析了2004年廣東電網(wǎng)線路故障和空間天氣之間的對應(yīng)關(guān)系，發(fā)現(xiàn)53%的電力系統(tǒng)故障與空間天氣擾動狀態(tài)存在對應(yīng)關(guān)系。

圖7 不夜城魁北克

地磁暴產(chǎn)生的感生電流不但會對輸電網(wǎng)絡(luò)和通訊電纜產(chǎn)生危害，也會影響地表油氣管線的安全。強磁暴時，每公里的輸油管線上有6伏特的感生電壓。也就是說在1000公里長的輸油管道上，感生電壓高達6000伏特。美國阿拉斯加輸油管線上有1000安培的電流流過（家用插線面板的電流設(shè)計等級一般為10安培）。如此強大的感生電流，會影響流量計的正常計數(shù)，甚至損壞流量計，也會加速管線的腐蝕。

圖8 輸油管線