太阳活动对地球的影响空间天气效应

太阳活动对地球的影响 空间天气效应

之电网与卫星系统

余馨婷

(PB10207051 地球与空间科学学院)

摘要：空间天气的源头来自太阳，为太阳的剧烈活动所驱动。本文论述了太阳活动以及空间天气效应对电网和对卫星系统的影响。对于贡献与国民经济发展比较重要的部分，侧重于讨论其对国内的影响，并通过某些对国内外空间天气影响事件的分析，提出我国电网设计和卫星系统应用中应对空间灾害天气需要研究、解决的科学问题。

索引：

（1）强太阳活动（地磁暴）对电网的影响

（2）恶劣空间天气对卫星的影响

0 引言

空间天气[7]是基于太阳活动的在太阳表面、行星际空间、磁层、电离层和热层中，某一时刻或短时段内的环境条件。通常以表征空间环境状态的太阳电磁辐射、太阳风、磁层磁场、地球辐射带、电离层电子密度、太阳耀斑、磁暴、磁层亚暴、电离层暴、电离层突然骚扰等空间天气现象来描述。它们的状态可能影响空间和地面的技术系统性能与可靠性, 危及人类的生命和健康，恶劣的空间天气可引起电网的崩溃及卫星运行、通信的障碍, 造成多方面的经济损失。

1 强太阳活动（地磁暴）对电网的影响

太阳活动（尤其是太阳风暴的地面效应，即地球磁场的剧烈变化，磁暴）对地面影响和危害最大的是电力系统，且电网的规模越大越容易受到灾难性攻击。

当发生地磁暴时，作为输电网这样一个闭合的导体回路，穿过电网回路的磁通量发生急剧变化，就在电网回路上产生了强大的感应电流（GIC）。感应电流是大强度直流电，而电网传输的是交流电，这就导致某些输变电设备因局部产生高热而烧毁。

例如，1989年3月，空间灾害天气引发了加拿大魁北克大规模停电，使魁北克600多万人9个小时无电可用，仅魁北克水电局的直接经济损失就高达数千万美元。在事故发生后的几年中，魁北克水电局投入的电网防治改造费用高达8.34亿美元。

另外，第23太阳周高峰期的几次大磁暴事件，对世界高纬、低纬电网也产生了很大影响。其中2003年10月30日的大磁暴，导致了瑞典马尔默大停电和南非15台大型变压器损坏。当时我国很多电网也发生了强磁暴侵袭事件，直观的现象是变压器发生强烈振动和严重噪音。其中江苏、浙江、广东等发达沿海地区因为电网规模大和“海岸效应”的影响，问题相对比较严重。这些事件都给我国未来大规模电网的安全和防范敲响了警钟。

2009年3月，美国科学家警告说，2012年太阳活动周将遭遇强烈的太阳风暴，破坏力极大，将严重影响到包括中高纬各个国家。

一方面，我国面临较大空间灾难的可能性相对较小。

这得益于我国所处的地理位置。相同电网结构、地质构造条件下，靠近两极的高纬地区，地磁场变化大、影响也大一些。中国地处地球中低纬地区，按目前电网结构和近期中国电网的

建设规模，磁暴影响的问题还不至于像北欧、北美高纬区国家那么严重。

但另一方面，中国的空间天气影响问题和电网状况与北欧、北美高纬区国家不同，使得我国这样的中低纬、大电网没有先例可借鉴。

高纬地区的磁暴是由极光电集流引起的，水平线(面)电流或“U”形电流模型能较好地模拟高纬地区的空间电流，而在中低纬地区，起主要作用的是赤道环电流和场向电流，因此高纬地区的已有研究不适用于中低纬地区【1】。

我国地质结构复杂，未来电网将向大规模发展，也增大发生灾难的可能性和研究工作的难度。 未来电网将出现距离长、导线单位长电阻小，电网采用东西走向，采用三相变压器等，这些因素都会导致电网抵御空间天气灾害的能力更差。

1989年引发魁北克事故大磁暴的Dst指数极小值为-548nT，1859年超级磁暴的Dst指数极小值为-1760nT，其强度分别是2004年11月磁暴的1.94倍和6.24倍。因此，相同地质条件的750kV 和1000kV 电网，遭遇1989年磁暴GIC可达219A和291A；遭遇1859年超级磁暴GIC可达705A和936A。而导致魁北克事故的GIC不超过200A，因此，未来建设的750kV 和1000kV 电网，遭遇超级磁暴可能会是灾难性的【2】。

尽管与高纬地区相比，中低纬的磁扰变化相对弱些，但电网GIC 受大地电导率、输电线路长度、走向、电网拓扑结构和参数等因素的影响更大，而我国电网是世界上规模最大、结构最复杂的电网，地质构造在世界上也最复杂。

若要研制电网GIC 治理装置，又要依赖对电网GIC 水平的评估，基于我国复杂的地质条件和电网的大规模性，准确评估电网GIC水平难度又很大，研究工作要取得突破和得到应用还需很大的投入。

2 恶劣空间天气对卫星的影响

通过查阅资料，以下大致总结了几种能强烈影响卫星通讯和工作的太阳活动，并简要讨论其原理，影响和解决方案。

（1） 太阳质子事件（主要由于质子耀斑和日冕物质抛射CME[6]）

由于太阳发生耀斑时发出的高能带电粒子流太阳宇宙线大部分是由质子组成，故称为太阳质子事件。

高能粒子不断轰击导航卫星表面,一方面会造成导航卫星表面材料损伤。另一方面，带电粒子在卫星表面累积起来，在一些曲面上或几个特殊的绝缘面之间充电，产生“太空舱充电现象”。当充电电压足够大时，产生的绝缘层放电现象使得卫星上某些绝缘材料被击穿，缩短元器件的寿命，甚至损坏某些电路和电子器件。

更高能的粒子直接穿过电子器件，在电子信号串中改变数据位，如0变为1，触发卫星舱控制电路产生伪指令，即发生单粒子事件。尽管一般情况下，这些伪指令不会有什么大的影响，一般是通过地面发出指令使其恢复，但欧洲、日本等国家实际测量结果表明, 低轨道上的单粒子事件仍是影响卫星安全的重要因素，甚至可能会触发重大事故。加拿大的一颗Anik卫星正是因此飘离轨道而丢失的。

并且在这方面我国有惨痛教训， 例如“风云1号”卫星姿态失控, 过早地结束了卫星的使用寿命, 其主要原因就是当时发生了太阳质子事件, 地球内辐射带的高能通量质子和重离子增加, “风云1号”卫星的主控计算机受高能带电粒子辐射引起的单粒子事件影响, 造成“软错误”,未能及时恢复, 造成了不可挽回的局面[3]。

对于单个卫星，每天都会有3、4次单粒子事件，如何保证卫星能完好地工作，完美得地修正

错误，是未来我们努力的方向。

（2） 日凌事件（主要是对对同步卫星）

当接收天线、同步卫星和太阳三者为一条直线时，地面站在接受卫星信号的同时，也会接受到大量太阳的噪声，从而使接收信噪比大大下降。

对于模拟卫星广播来说，日凌使图像出现很严重的噪点干扰，图像几乎被噪声完全淹没。而对于数字卫星广播，只要引起的误码率达到一定的数值，信号就立即中断，类似门限效应，同时很多数字机发生“死机”，必须重新启动，否则日凌过后收不到信号[4]。

在北半球，日凌发生在春分之前以及秋分之后，具体日期要根据接收点的纬度来确定；在南半球，日凌发生在春分之后，秋分之前。日凌现象是每年都有，且目前没有较好的解决方法，只有在日凌到来的这段时间避开用卫星信号，取而别的信号源代替。

（3） 太阳紫外线

太阳活动强烈时，太阳紫外线强度剧烈变化不断改变大气的密度和温度，影响卫星的轨道和寿命。

紫外光与氧分子相互作用，使其分解成为原子氧。作为一种强氧化剂，当具有定向速度的原子氧与导航卫星表面碰撞时，会导致导航卫星表面材料的“氧化”、“溅散”、“腐蚀”和“挖空”，造成导航卫星表面产生质量损失、剥蚀和材料变性等化学损伤[5]。

（4） 电离层暴

电离层是对卫星导航定位产生影响的主要因素, 卫星导航信号穿过电离层产生的误差是重要的误差源之一。当强烈的太阳耀斑发生,在不到10 min 之内射线到达地球轨道,使电离层电子密度出现整体的涨落, 或快速随机的变化。

电离层对卫星导航定位有如下几方面的影响:

折射误差和测速误差：由于电离层电子密度急剧变化产生的误差。对于GPS和GLONASS卫星导航系统，有高达几十米甚至百米量级的误差。

电离层闪烁：高纬地区和赤道低纬地区由于电离层的快速随机变化引起电离层闪烁，导致GPS接收机对特定卫星信号失锁，使得同时可用的GPS卫星数目减少，精确定位的能力大大下降。 因此要更好地发展技术来补偿环境对未来高精度GPS技术造成的误差，必须精确地描述和预测电离层参数才行。

（5） 剧烈的太阳风

剧烈的太阳风可以压缩靠近太阳一边的地球磁场和拉伸另一端的磁场，使靠地球磁场维持正确轨道的卫星（主要是低轨道卫星）偏离正常轨道，甚至丢失。

由于太阳风中大量辐射线，致使大气层温度升高，大气层外层空气密度增大，对低轨卫星的运动阻力增大，加速卫星的衰落，从而也大大缩减了其寿命。

结语

空间天气尤其是空间灾害性天气对卫星导航定位系统和电网的影响是实际的和全方位的。卫星导航定位系统和电网系统从设计到应用都应考虑空间灾害性天气的影响因素，对关键部件的硬件采取防护措施，软件要备有应急手段。开展空间天气研究，实施空间天气保障是避免空间灾害性天气影响的重要途径。

参考文献：

[1] 陈鸿飞，徐文耀．磁暴磁层电流体系的地磁效应分析

[2] 刘连光. 大规模电网应对空间灾害天气的问题

[3] 张贵银. 空间天气对军事活动的影响

[4] 刘启明. 太阳活动和太阳对卫星的引力等外力对卫星通信的影响

[5] 刘天波，张磊，万波. 空间天气对导航卫星的影响

[6] 林元章. 太阳物理导论

[7] 中国空间科学学会. 空间科学词典