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李会超:这种威胁险些引发核战争 美国已行动中国又如何?

2019-04-27 08:11:06

【文/ 观察者网专栏作者 李会超】

1967年,美军监视苏联洲际导弹的雷达突遭干扰,美国开始考虑对苏联实施反击,核战争一触即发;

1972年,越南海防港外没有船只经过,而美军布设的数十颗水雷忽然集体自爆,进而引发了四千颗水雷连环爆炸;

1979年,美国“天空实验室”空间站在不可控的状态下提前陨落;

1989年,加拿大魁北克地区的电网神秘崩溃;

1991年,上天仅半年的我国风云一号B卫星忽然开始失控翻转,提前报废;

2001年,搜救中美撞机事件的我方部队的无线电通信忽然中断两个小时;

2003年万圣节期间,宇航员躲进国际空间站防辐射性能最好的舱段中躲避高能粒子,来往东亚与美国的不少民航航班被迫改变飞行路线。

以上这些军事与民用领域中发生的事件,幕后的“推手”都是太空中的阴晴雨雪——空间天气。上个月,美国白宫公布了新一版的《国家空间天气战略与行动计划》,再次明确了美国应对恶劣空间天气事件的顶层设计。

(《国家空间天气战略与行动计划》封面)

太阳对地球的现实威胁

在电影《流浪地球》中,地球因为太阳的忽然衰老而不得不踏上了流浪之路。实际上,虽然太阳并不会偏离恒星演化的正常路径,但时而爆发的太阳风暴所引发的恶劣空间天气,却是我们的母星对地球的现实威胁。太阳风暴的“动力源”来自于太阳光球的运动。组成太阳光球的等离子体能够将磁场“冻结”住,当光球的等离子体运动时,太阳磁场被不断的牵动、扭缠,磁场像逐渐上紧的发条一样,持续的积蓄着能量,在光球之上的太阳日冕层中形成不稳定的磁场结构。在能量积累到一定程度后,这些不稳定结构就会在短时间内将蕴含的能量快速释放,形成太阳耀斑和日冕物质抛射等爆发现象。一次强太阳耀斑释放的能量,大致与数百颗“大伊万”氢弹同时爆炸释放的能量相当。

(太阳上一个正在爆发的磁场结构)

太阳爆发所形成的极紫外射线和X射线辐射增强,将在爆发发生7分钟后与太阳光同步到达地球,引起地球电离层性质的突然扰动。由于无线电通信、远程预警雷达、卫星通信、GPS/北斗卫星导航等使用的无线电信号,要么需要通过电离层反射,要么需要穿过电离层,因此电离层的变化会对这些无线电技术系统产生严重影响。1967年险些引发核战争的雷达失效,并非苏联人故意挑衅美国,而是太阳爆发干扰了雷达的工作。而2001年我国搜救王伟少校行动的通信中断和2003年复活节期间的航班改道,同样是由于电离层扰动引起的无线电通讯失效。

(空间天气所能影响到的各个民用技术系统)

游戏红色警戒2中的“磁爆步兵”是一种善于摧毁坦克的兵种,而在太阳风暴的打击下,现实中的地磁暴也发生在地球的磁场中。地磁暴不但会将无线电通信干扰的持续时间延长到一周以上,还会在地面的长距离线路中产生地磁感应电流。19世纪的有线电报网络就饱受地磁暴困扰,华盛顿一位倒霉的电报操作员还曾在1859年被地磁暴产生的电流电击过。在现代社会,受地磁感应电流影响最大的就是高压输电网络。一旦与1859年那次地磁暴强度相当的地磁暴发生在今天,各国的高压电网可能会大面积崩溃,进而引起社会基础设施的全面瘫痪。美军在越战期间自行爆炸的水雷,就是因为地磁暴产生的磁场变化达到了水雷磁场探测器的爆炸阈值,水雷误认为有船只经过而引爆。

(从不同波段观测到的一次耀斑爆发事件)

太阳爆发还会释放大量的高能粒子,如果单个高能粒子的能量超过了航天器期间防护性能的极限,就会对航天器中电子元件的正常运行产生影响,轻则使航天器上的计算机“死机”,重则可以造成不可逆的损害,致使航天器提前报废。我国风云一号B卫星、日本的ADEOS-2对地观测卫星甚至远在火星的火星奥德赛探测器,都曾经遭受过因太阳高能粒子的打击而全部或部分失效。对于宇航员来说,如果所处的航天器不能将大部分高能粒子屏蔽,那么它们所受到的辐射剂量将会增加到危及健康的程度。这也是为什么在2003年万圣节事件期间国际空间站宇航员要躲进防护性能最好的舱段。

美国重视国家战略与顶层设计

作为航天领域的领头羊和高度依赖各种高技术设施的国家,美国相当重视对恶劣空间天气事件的应对。在上世纪六十年代,负责监控苏联弹道导弹的北美防空司令部已经建立了太阳预报中心,美国环境科学局(美国国家大气海洋管理局NOAA的前身)也已经开始了对太阳活动的连续观测,这些机构传来的信息使当值的指挥官判明了雷达干扰的来源是太阳而非苏联。

如果没有这些观测数据和专业人员的解读,指挥官很可能将干扰误判为苏联袭击美国的先兆,向更高级别的决策者报告不存在的危机,进而使美国对苏联发动核打击,使地球陷入核战争的阴云之中。

然而,美国也有过各部门互相扯皮,酿成不可挽回后果的情况。1979年坠落的天空实验室,本应服役到八十年代,与后来服役的航天飞机一起工作。然而,NASA在七十年代中期对太阳活动的预报出现了偏差,又对NOAA等与它平行的政府部门的警告充耳不闻。在愈发频繁的太阳风暴吹袭下,地磁暴不断发生,天空实验室轨道上的高层大气密度增大使得其轨道失控式的衰减,最终提前陨落。

为了更好的协调研究机构、预报机构、潜在受影响的部门和灾害应急机构的工作,使它们能够相互配合应对空间天气灾害,美国在2015年制定了《国家空间天气战略》和《国家空间天气行动计划》。2016年,即将卸任的奥巴马总统签署了题为《协调努力为国家做好空间天气事件的准备》的总统行政命令,进一步强化美国联邦政府应对空间天气事件的目标和措施,以及各政府部门与机构的具体职责。

(天空实验室最终坠落到澳大利亚一片人烟稀少的荒漠中。虽然与NASA的落点预报偏差很大,但没有造成人员伤亡。附近举办的“宇宙小姐”选美比赛,还把一块残骸拉到会场助兴。)

虽然特朗普上台后对奥巴马任职期间的政策多采取消极态度,但在空间天气这一问题上却延续了奥巴马政府所形成的既定方针。在3月29日白宫发布的新闻稿中称,特朗普总统为重振美国在太空中的领导地位“采取了果断行动”,本届政府还将进一步加强美国应对空间天气事件的能力,因此发布了新版的《国家空间天气战略与行动计划》。

在这份计划中,美国国家科技委员会提出了“空间天气有备国家”(space weather-ready nation)的概念,为现阶段国家层面应对空间天气的行动指明了三个重点方向:一是要针对国家安全、国土安全(即美国本土安全)和商业设施与运作中容易受空间天气影响的部分,加强其自身的防护能力;二是发展及时而准确的空间天气监测与预报能力,为全社会应对空间天气事件提供关键信息与指导;三是制定空间天气事件后的灾后恢复方案,使遭受不可抗的空间天气灾害后,相关部门能够按照预先研究论证过的预案和行动步骤,有条不紊的应对灾害造成的损害。

(白宫新闻稿称特朗普为重振美国在太空中的领导地位“采取了果断行动”)

对于空间天气的科学研究,国际上早已经开展了以“与星同在”为代表的一系列研究计划,但由白宫发布的这个战略与行动计划与科学家们的计划则存在着一些差异。科学家们的研究计划是以解决科学问题、获得科学发现为导向,通过总结科学目标提出进一步研究的方向,主要由大学或科研机构中的科学家们完成。

而白宫的战略与行动计划则是以提升形成应对空间天气事件的实际能力为导向,通过总结行动重点为政府各个部门制定行动纲领,将科学家门已经和将要获得的科学认识转化为方案、措施与防灾减灾的基础设施,需要由政府官员、空间天气科学家和有关系统的科技人员共同完成。如果该计划中提出的方案都能实施落地的话,美国有望在该领域继续保持其先进地位。

应对空间天气事件,我国能力如何?

在以赵九章先生为代表的老一代科学家的组织和领导下,在东方红一号上天之前,我国对与空间天气有关的物理现象的研究就已经展开。在上世纪八十年代,中科院魏奉思院士在国际上较早的提出了“空间天气”的概念,并组织了相关的研究力量。2003年,由刘振兴院士主持开展的“双星”计划,以地磁暴的发生过程为探测目标,与欧空局的Cluster任务开展联合探测,是我国第一个纯科学目的的航天任务。

随着国家综合国力和科技事业的不断发展,空间天气的研究队伍也在不断壮大。笔者参加的空间天气方面的大型学术会议,一次都能吸引到来自高等院校、科研院所、部队有关单位的四五百位科研人员和研究生,前来交流探讨日冕-行星际、磁层、电离层和中高层大气等各个空间天气圈层中的学术问题。

中科院牵头的国家重大科技基础设施“子午工程”已于2012年建成投入使用,使我国拥有了一条纵贯南北的空间天气监测链,而正在建设中的子午工程二期则会将“链”变成“网”,进一步提升我国对空间天气的监测能力。在空间天气预报方面,中国气象局和中国科学院的有关机构已经建立了比较成熟的空间天气预报体系,能够对各部门行业的用户提供支撑。

(子午工程二期的探测手段与台网布置)

然而,令人略感遗憾的是,尽管我们国家对于空间天气研究的支持力度不小,但我国仍没有像美国《国家空间天气战略与行动计划》这样的国家计划,来统筹军口民口各个部门应对空间天气事件的行动。如果这样一个国家的顶层设计能够出炉,使各部门间的信息与资源更好的融合共享,使我们更有效的应对各个高技术系统对空间天气事件日益增长的敏感性,我们就能确保国防、航天、通信等诸多领未来域抵御空间天气灾害性的能力,不低于世界上任何一个国家。

本文系观察者网独家稿件,未经授权,不得转载。

李会超

李会超

空间物理学博士,科普作者

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来源:观察者网 | 责任编辑:宙斯
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