太空天氣

發現號在 1991 年 5 月觀察到的極光。

太空天氣是在地球週圍的太空環境條件改變的觀念。它與行星大氣內的天氣觀念不同，涉及太空中的電漿、磁場、輻射和其他物質。"空間氣象" 經常隱藏性的意味著在地球附近的磁層，但是它也是在 星際間（並且經常是星際空間）的研究

在我們自己的太陽系內，太空天氣受到太陽風的密度和速度，還有太陽風攜帶的電漿造成的行星際磁場（IMF）很大的影響。不同的物理現象與太空天氣有關，包括地磁風暴和次風暴、範艾倫輻射帶的活動、電離層的擾動和閃爍、極光和在地球表面的地磁的誘導電流。日冕物質拋射和它們關聯的衝激波經由壓縮磁層和觸發地磁風暴也是導引空間氣象的重要驅動力。

被日冕物質拋射或閃焰加速的太陽高能粒子，也是太空天氣的重要駕御者，它能經由感應電流危害到太空船上的電子裝置，和威脅到太空人的生命。

太空天氣在幾個相關的地區對太空探索和發展發揮了深遠的影響。不斷變化的地磁條件可以造成大氣密度的急劇改變，造成低地球軌道上太空船高度的墮落。由於太陽活動增強產生的地磁風暴會導致太空船上的檢測器暫時失明，或是幹擾到船上的電子儀器，或是太空環境的條件對設計太空船的遮罩和載人太空船的生命支援系統也是很重要的。此外，磁暴也會影響到在高緯度上常態飛行的飛機，使受到的輻射總量增加。

衛星觀測太空天氣

從 1995 年起，美國國家航空暨太空總署（NASA）和歐洲太空總署（ESA）合作的太陽和太陽風層探測器（SOHO）太空船接近即時太陽資料成為對太空天氣預測的主要來源。在 1998 年，NASA 的高新化學組成探測器（ACE）加入，它攜帶了可以連續傳輸有關原來位置的太空天氣信標。SOHO 和 ACE 都位於 L1 拉格朗日點，距離地球 1% 天文單位的地球上游位置，它測量到的太陽風和電漿大約在 1 小時後就會抵達地球。NASA 和 ESA 最新發射的日地關係天文臺（STEREO）增加了一個額外的太空天氣資料流程，以立體的影像涵蓋了地球與太陽之間的空間。兩艘 STEREO 太空船，一艘超越在地球的前方，另一艘尾隨在地球的後方，每年漂移遠離地球約 22 度。

模型的嘗試

自 1990 年代以來，從太陽到地球以及周遭太空環境的主要模型，就使用三度空間的磁流體動力學架構模擬。在美國，兩個主要的中心是密西根太空環境模擬中心 (CSEM) 和綜合太空天氣中心 (CISM) 。

太空天氣事件的例子

1806 年 12 月 21 日，亞歷山大・馮・洪堡 (Alexander von Humboldt) 觀察到他的指南針在一次明亮的極光事件中變得不穩定。
1859 年 9 月 2 日，1859 年太陽風暴（卡林頓事件）造成電報服務大規模中斷。
1921 年 5 月磁暴，是最大的地球磁暴之一，擾亂了全世界的電報服務並損壞了電氣裝置。
最著名的空間氣象事件例子是發生在 1989 年 3 月 13 日魁北克水力的電力網路因為地球感應電流瓦解的事件。這個事件開始於一個變壓器出現故障，然後導致大規模普遍的斷電，至少持續了 9 小時，並有 600 萬人受到影響。造成這個磁暴發生的事件是 1989 年 3 月 9 日的日冕物質拋射，太陽拋出了一些物質。
1994 年 1 月 20 日的磁暴撞擊了兩顆加拿大的通訊衛星 Anik E1 和 E2，還有一顆國際通訊衛星 Intelsat K，使通訊暫時性的中斷。
1997 年 1 月 7 日的日冕物質拋射轟擊了地球的磁層，使 AT&T 損失了一顆通訊衛星 Telstar 401 (價值 $2 億美金)。
飛越極區的航線對太空天氣別敏感，部分是因為聯邦航空條例要求在飛行的全程都需要可靠的通訊。估計每次偏離極區的飛行都要多耗費 $100,000 美金的費用，有 9 家航空公司經營飛越極區的航線，即使有一些衛星的訊號受到幹擾，接收機自主完好監測技術可以協助飛機仍然能接收到 GPS 的訊號。
2000 年巴士底日事件恰逢異常明亮的極光。
在載人太空任務期間沒有發生較大的太陽高能粒子事件。雖然，類似的大事件發生在阿波羅 16 號和阿波羅 17 號登月任務中間的 1972 年 8 月 7 日。高能量的粒子有可能轟擊到沒有地球磁場保護的太空人，若這些事件發生在這些任務進行的期間，有可能造成死亡或至少會危及太空人的生命。2002 年 4 月 12 日，一次太陽高能粒子事件衝擊到火星探測器 Nozomi，導致大規模的失敗。這個計畫原本就已經比程式表落後了 3 年，最後終於在 2003 年 12 月被放棄。

在地球表面的太空天氣

所知空間氣象和地面層最重大的影響是 (geomagnetically induced current，GIC)。這些可以造成電流在電網、管線和其他傳導網路中流動並且產生損害。在地面上快速的磁場變化 － 在發生磁暴的過程和太空天氣的結合 － 也可以是重要的活動，像是地球物理對映和碳氫化合物的產生。

4.1 地球物理的探勘

飛機和船舶承擔的地磁測量在磁暴期間可以快速的受到磁場改變影響。磁暴可能導致資料解釋上的問題，因為在調查地區下的地殼磁場也會受到太空天氣影響產生相似的變化。一個實用的測量裝置能夠準確的提出磁暴警告，包括嚴重程度的評估和磁暴持續的時間。

4.2 地球物理學和碳氫化合物的生成

由於經濟和其它的原因，石油和天然氣的生產往往涉及定向鑽井，井的路徑從一個單一的井口在水平和垂直方向上都延伸好幾公里。由於附近還有其它的鑽孔，也由於目標的大小－儲藏層可能只有數十到數百米寬－和安全上的理由，在精度上的要求很嚴格。使用陀螺儀的測量方法是最精確也是最昂貴的，因為它可能需要停止鑽井數小時。一個替代的方法是使用磁性的測量，它可以進行鑽井中測量。幾近即時的磁性資料可以用來更正鑽井的方向，並且鄰近的磁場觀測臺是不可或缺的 (Clark and Clarke, 2001; Reay et al., 2006)。磁性資料和風暴預測還有助於在持續的基礎上弄清楚未知來源的操作錯誤。

延伸讀物

Clark, T. D. G. and E. Clarke, 2001. Space weather services for the offshore drilling industry. In Space Weather Workshop: Looking Towards a Future European Space Weather Programme. ESTEC, ESA WPP-194.

Carlowicz, M. J., and R. E. Lopez, 2002, "Storms from the Sun", Joseph Henry Press, Washington DC.

Reay, S. J., W. Allen, O. Baillie, J. Bowe, E. Clarke, V. Lesur, S. Macmillan, 2005. Space weather mom on drilling accuracy in the North Sea. Annales Geophysicae, Vol. 23, pp 3081–3088.

Odenwald, S. 2006, "The 23rd Cycle;Learning to live with a stormy star", Columbia University Press, (http://www.astronomycafe.net/weather.html)
Bothmer, V.; Daglis, I., 2006, "Space Weather: Physics and Effects," Springer-Verlag New York.

Gombosi, Tamas I., Houghton, John T., and Dessler, Alexander J., (Editors), 2006, "Physics of the Space Environment," Cambridge University Press.

Daglis, I. A. (Editor), 2001, "Space Storms and Space Weather Hazards," Springer-Verlag New York.

Song, P., Singer, H., and Siscoe, G., (Editors), 2001, Am. Geophys. Union, Washington, D.C.

書目提要

Rainer Schwenn, Space Weather, Living Reviews in Solar Physics 3, (2006), 2, online article.

Jean Lilensten and Jean Bornarel, Space Weather, Environment and Societies, Springer, ISBN 9781402043314.

Mark Moldwin: An introduction to space weather. Cambridge Univ. Press, Cambridge 2008, ISBN 978-0-521-86149-6.

Ioannis A. Daglis: Effects of Space Weather on Technology Infrastructure. Springer, Dordrecht 2005, ISBN 1-402-02748-6.