奇奇怪怪: 「北京極光」刷屏的時候，我們的太空天氣科學家在忙些什麼？

前不久北京「極光」事件刷屏。在北京看到「極光」實屬罕見，一般只有在接近極光卵的有限緯度（地磁緯度約65°～75°）處能觀測到。大家在興奮地感慨居然北京也能看到「極光」的時候，一群預判了該事件的科學家早已忙碌了起來。

作為專業的太空環境服務保障機構，中國科學院國家太空科學中心（以下簡稱太空中心）空間環境預報中心從此次事件的初始，就利用我國重大科技基礎設施子午工程、誇父一號等天地基監測數據緊盯事件發展狀況，第一時間向太空站等用戶發送預報產品。

圖1：子午工程站點佈局圖

圖2：以子午工程為基礎，國際子午圈計畫聯合120°E+60°W上的地基探測設備，探測全球空間環境

磁暴事件既是挑戰也是機遇

磁暴事件期間，科學家們在爭分奪秒地進行太空環境探測和研究。空間衛星在運作的同時也會採集一手的就地空間環境參數。我們還有很多地面的探測設備──如我國的子午工程，從地表向上遙測空間環境的變化狀況，監視著空間天氣的一舉一動。

為了獲知這次強烈磁暴事件對地球空間環境造成的全球性影響，國際子午圈聯測工作小組與太空環境預報中心緊密合作，於11月28日第一時間分析與研判了地球空間爆發強烈磁暴的可能性，並及時發布了自30日開展聯合觀測的倡議。

國際聯合觀測獲得寶貴數據

子午工程、國際非相干散射雷達網、南美空間天氣實驗室等國際子午圈的成員和合作監測網絡迅速響應、高效部署，圓滿完成此次國際聯測，獲取了極為寶貴的強磁暴期間多要素的同步觀測數據。

參與聯測的地面設備採用無線電、光學、地磁場測量等多種探測原理，收集了80餘個主要站點的電離層數據和中高層大氣數據（如圖3-圖6所示），為此磁暴期間的空間環境綜合研究建立了完整詳實的資料庫，為解答令人困惑的中國北部地區極光，包括北京"極光"，提供了最直接和最有效的專業資料庫。

圖3：2023年11月30日至12月2日（世界時）美國Millstone Hill非相干散射雷達偵測的電離層100km-500km高度區域的電子密度

圖4：2023年12月1日珠海站全天空氣輝成像儀觀測到的電離層不規則體

圖5：2023年11月25日至12月3日子午工程武漢崇陽站MST雷達風場

圖6：2023年12月1日子午工程三亞站非相干散射雷達觀測的電子密度、電子溫度、離子溫度等參數

12月7日，為了總結聯測活動成果、規劃後續科學研究，美國麻省理工學院的張順榮教授（國際子午圈計畫首席專家小組專家）、太空中心徐寄遙研究員（子午工程總工程師）、中國科學技術大學雷久侯教授三位聯測活動召集人，以及中國科學院地質與地球物理研究所劉立波研究員等60多位專家和學者聯合發起了探測科學分析討論會，組織本領域科學家對磁暴時空間環境特徵進行初步梳理和研讀，安排了後續聯合研究活動。

透過對重大空間天氣擾動事件的國際聯合探測和後續研究，可以更完整地揭示太陽活動對地球空間環境的全球/大尺度影響，了解空間環境擾動在全球特別是沿子午面的傳播過程和規律，最終實現空間天氣的準確預測，造福人類高技術系統和文明發展。這也是國際子午圈計畫的主要科學目標。

本次地磁暴對航太工作有什麼影響？

對於在太空執行任務的航太員，質子事件是威脅航太員身體健康和生命安全最主要的太空環境事件，但這次事件不伴隨太陽質子事件，因此對航太員沒有影響。

此次地磁暴期間中國太空站的軌道速率並沒有表現出明顯的加速趨勢（如圖7所示），這種現像是因為太空站軌道操作頻繁，太空站軌道維持及姿態調整都可能對軌道產生明顯影響。單純從軌道資料不能判斷地磁暴對太空站軌道衰減的影響。

圖7：地磁暴期間中國太空站軌道半長軸變化

圖8：地磁暴期間球星（NORAD:53301）軌道半長軸變化

圖8給出了「軌道大氣密度探測試驗衛星」（以下簡稱「球星」）在此次地磁暴期間軌道的衰減。該衛星由太空中心太陽活動與太空天氣重點實驗室和中國科學院上海微小衛星創新研究院共同開發。衛星設計為球形，構型簡潔，具有確定的面質比，且沒有軌道製動，因此其軌道變化可準確反映地磁暴的影響。從圖中可以明顯看出地磁暴加劇了衛星軌道的衰減。具體而言，磁暴發生前，軌道衰減速率為109公尺/天，在磁暴發生期間及隨後的數小時內，軌道衰減迅速增加到189公尺/天。可見大磁暴對低軌衛星的軌道有顯著的影響。考慮到目前球星高度約480km左右，而太空站軌道高度約為380km，大氣密度更加稠密，因此在無軌道煞車等其他因素的影響下，地磁暴對其軌道造成的衰減效應應更加顯著。

本次地磁暴對導航通訊有什麼影響？

這次地磁暴事件期間，我國部分地區的電離層在12月1日～2日發生弱擾動，各觀測站的電離層F2層臨界頻率（foF2）和電離層TEC參數相對背景值都有變化，但幅度不大（如圖9），對通訊導航等系統的影響不大。