浅谈太阳耀斑对无线通信的影响——从京津冀短波通信训练说起

    亲历短波通信“失联”
       2017年9月5日是2017年“京津冀无线协同训练”9月份的训练日，上午的训练课目是“京津冀”三地短波通信训练。此前我连续几天对天线馈线系统、短波电台进行调试，还牵头邀请房山、平谷和怀柔区的兄弟单位工作人员进行测试，对设备还是心里有底的。5日凌晨的一场雨带给我一丝担忧，到了9时天空的云层被吹散，天空放晴，料想短波通信效果不会太差。作为属台，我在常用频率守听，微弱的信号在巨大的底噪中显得若有若无，几乎无法抄报。经过多次更换通信频率，经过一次次的呼叫，依然收不到主台和其他属台的信号。尽管坚持到训练时间结束，也无法形成有效的联络。
       当天晚上在家收看电视新闻，一则消息称，据美国SDO卫星拍摄到的太阳检车画面显示，北京时间9月5日凌晨4时左右，太阳活动12673爆发日冕物质抛射，在此前约1小时，该活动区爆发M4.2级耀斑。我立即联想到上午短波联络训练效果不理想的情况，于是查找资料，总结出太阳活动对无线通信的影响。
       根据中科院空间环境预报中心官方网站公布的消息，UTC时间为9月5日01:03至9月5日01:11爆发了M4.2级耀斑事件，北京位于东八区（UTC+（0800）），也就是北京时间9月5日9:03至9月5日9:11，当时北京地区已经处于向阳时间，强烈的紫外线和X射线8分钟后到达地球，太阳爆发耀斑对地球电离层的影响逐渐显现，发生了电离层扰动。根据中科院空间环境预报中心官方网站的记录，在北京地区0—28MHz的短波频率均受到电离层不同程度的吸收，这种电离层突然骚扰一般能够持续几分钟到几小时，此次电离层恢复正常的时间是UTC时间为9月5日05:42（北京时间9月5日13:42），恰好我们京津冀短波训练处于这个时间跨度，通信质量自然很低。
       12年来最强太阳耀斑爆发 
       据美国国家航空航天局(NASA)消息，北京时间9月6日19时53分，太阳爆发X9.3级大耀斑，引发太阳质子事件和日冕物质抛射。这是自2005年以来，太阳最强的一次爆发活动，打响了新一轮太阳风暴的第一枪。
       太阳耀斑是发生在太阳大气局部区域的一种最剧烈的爆发现象，在短时间内释放大量能量，引起局部区域瞬时加热，一般强度的太阳耀斑释放的能量相当于广岛爆炸原子弹的上百亿倍，太阳耀斑的强度通常可分成由低到高A、B、C、M、X_五个级别，每个级别又可划分10个等级。根据中国科学院国家天文台太阳活动预报中心的记录，9月的前半个月中，太阳爆发了不同强度的耀斑或由耀斑引发的事件多达11次，多次引发了太阳质子事件和日冕物质抛射。从全球来看，不同地区的短波通信乃至卫星导航通信都遭受了长时间的干扰。
太阳耀斑对地球电离层实施的三轮“攻击”
       第一轮攻击：耀斑产生电磁辐射引起地球电离层突然骚扰。太阳耀斑活动对地球电离层最初的影响主要表现为强烈的电磁辐射，太阳耀斑释放的电磁辐射约8分钟后影响地球的向日面。太阳爆发耀斑期间发出的强烈的紫外线和X_射线进入地球向阳面电离层D层，使电离层D层的电子密度突然增大，大量的电子与D层本身存在大量中性分子和离子发生高频率的碰撞，因此电磁波通过D层时受到的吸收较大，电磁波的频率越低，吸收越大。因此，太阳爆发耀斑后，短波的可用频带会急剧下降，低频部分的通信质量恶化甚至中断。GPS等导航信号上行或者下行时都经过电离层的反射传递，当耀斑产生大量的射线时，电离层上面的磁层可能会注入电离层，使得电离层的离子成分产生变化，从而影响电离层对电磁波的反射，会造成依赖导航信号的移动通信系统无法定位或者定位不准确的连锁反应。
       第二轮攻击： _耀斑引发太阳质子事件。强度较大的太阳耀斑会引发太阳质子事件。太阳质子事件主要表现为大量的高能粒子流，高能带电粒子流大约在几十分钟至几十小时后到达地球附近的空间，同地球高层大气发生相互作用，使电离层F2层状态出现异常变化形成电离层暴，导致地球电离层F_层的反射临界频率发生较大变化。高能带电粒子流沿着地磁力线沉降在极盖区（磁纬度64°以上区域）上层大气，使极盖地区的电离层D层电子电离程度急剧加大，此时通过极盖地区电离层的无线电波被强烈吸收。
       第三轮攻击：太阳耀斑引发日冕物质抛射。太阳耀斑爆发时产生的日冕物质抛射通常几天后到达地球。对地球磁场和大气影响最大的是日冕物质抛射，日冕物质抛射过程中上百亿吨时速高达数百乃至千公里以上的带电粒子冲向行星际空间，形成激波阵面。一旦该阵面经历数十小时冲向地球，就会引起强烈的地磁暴、电离层暴和高层大气强烈的扰动。高层大气密度增强，增大了卫星运行的阻力，从而加快卫星轨道的衰变；因此会影响卫星导航的正常运转。
       太阳耀斑作为太阳活动活跃的重要标志，通常爆发具有连续性，形成一段时间内“三轮攻击”持续叠加，即上一次较高强度太阳爆发耀斑一两天后，质子事件和日冕抛射物的影响还在持续，又爆发了一次太阳耀斑，产生大量紫外线和X射线，这样形成两轮或三轮的“攻击”叠加效果会影响无线通信数天之久。总的来说，太阳耀斑对无线通信的影响主要体现在对电离层的扰动，电离层电子密度增大，会造成电磁波相位异常、极化偏转、信号强度衰减。X级规模的太阳耀斑，有可能干扰通信卫星及广播卫星等人造卫星的信号，导致采用GPS的高精度定位系统误差增大，短波通信受到干扰，甚至地磁出现剧烈变化而对输电线路产生影响。对于普通用户来说，可能会影响到智能手机、平板电脑及车载导航仪等使用GPS和地磁传感器的地图应用。

       积极应对 扬长避短
       使用通信设备实现互联互通看似简单，实际依靠平时的理论积累、丰富的操作实践和精细的设备检查维护，此外更离不开优良的通信资源和气象条件。
       寸有所长，尺有所短，每一种通信手段都有其自身的特点。作为北京民防信息化专业队伍，我们要抱着严谨的科学态度，勤学苦练，刻苦钻研，把握各类通信体制的特点，根据实际情况扬长避短，更加精准地实现有线与无线结合，固定与机动互补，手段多样、方式灵活地完成各项防空防灾通信保障任务，这也是京津冀无线协同训练的意义所在。

（原载《北京民防》2018年第2期）