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太空天气对极地航线的影响

太空天气对极地航线的影响

庄民诺
2025年1月

2024年10月上旬至中旬发生了剧烈的太阳活动,当时一些中纬度地区如北京罕有地观测到极光 [1]。在这壮观和惊艳的景象背后,航空公司却要评估太阳活动对飞行安全造成的威胁,以及对一些航班的飞行路线作出调整。由于地球的形状很接近一个球体,从纽约飞往香港的最短航线是取道北极一带(图一,上)而非跨越太平洋或大西洋 [2],但在10月份的剧烈太阳活动下,航班不得不改道以避开北极附近的区域,航线因而需要延长,导致航班途中要停日本关西机场加油及替换机组人员(图一,下)才可继续航程,整个航程的时间大大增加了约6小时。除了航程延长外,太空天气还会对极地飞行的安全造成甚么影响?
太阳表面出现剧烈活动时,太阳会向太空喷发出大量高能量及带磁场的物质,包括质子及等离子。这些物质的传播速度各异,若能成功抵达地球的磁场,质子只需要30分钟到数小时,等离子则需要约20至90小时。这些物质会沿著地球的磁场被引导并渗透到北极和南极一带的大气层中,所以极地一般会较受太阳活动直接影响。对地球来说,高能量的质子会带来太阳辐射风暴,而等离子会带来地磁暴,极光是地磁暴衍生的主要现象之一。上述两种太空天气现象有机会同时发生,各自的持续时间从数小时到数天不等。
根据美国太空天气预报中心,10月份剧烈太阳活动所造成的太阳辐射风暴及地磁暴分别达到S3(强)及G4(严重)级别 (两者均以第五级为最严重,太空天气分级可参阅以下连结[3]。在太阳辐射风暴期间,部分高能量的粒子会进入极地的大气层,在高纬度地区飞行的航机内的乘客和机组人员会暴露于较高的电离辐射风险中。同时,高能量粒子与大气层碰撞有可能在电离层底部产生一层自由电子,并会吸收高频无线电波,阻碍甚至中断航机通讯 [4]。而在地磁暴期间,外来能量会使电离层加热从而改变其密度,电离层密度分布不均会影响无线电讯号的传播路径,干扰航机内的全球导航卫星系统及通讯系统 [5]
极地航班出发前,航空公司有需要参考不同太空天气中心发出的资讯和预警,确保航班和乘客的安全,并为可能影响飞行安全的太空天气制定后备方案,例如航线改道或停飞。
Figure 1
图一  纽约至香港航班原有航线(上)及改道后航线(下)。(资料来源:Flightradar24)