魏奉思：空间天气学基础问题解答（上）

　　<strong>什么是“空间天气学”?<p>　　</p><p>　　</p></strong>　　千百年来，人们就知道，狂风暴雨、电闪雷鸣、洪涝、水旱，地球上这些恶劣的天气变化给人们的衣、食、住、行和生产活动带来灾难。地球20-30公里以上的高空，甚至千万公里的空间（或称太空），也存在恶劣的空间天气变化。例如，当太阳上高温、高超音速的物质喷发所形成的太阳风暴吹过地球，有时会使卫星失效、提前陨落、通信中断、导航、跟踪失误、电力系统损坏以及人的健康与生命带来严重危害，却是近2-30年来才逐步认识到的新事实。 <p>　　</p><p>　　我们现在知道，从太阳到地球这个日地空间环境与人类生存和发展息息相关。它由太阳大气、行星际介质、地球的磁层、电离层和中高层大气所构成。这个空间环境自1957年人造卫星上天，人类的航天、通信、导航等从地表扩展到成百、上千公里的空间，成为人类活动的重要场所；它的高高度、高真空、微重力、强辐射、高电导率等独特的环境条件既为人类发展提供丰富的资源，又为航天、通信、资源探测等活动提供地面不可能有的便利；它阻止和吸收来自太阳的X射线、紫外线、高能带电粒子以及超音速的太阳风暴对地球人类的直接轰击，是人类生存的重要保护层。然而“水可载舟也可覆舟”，常常出现的恶劣空间天气变化也给人类的高科技活动带来如前所述的严重危害。太阳活动控制着它的喜怒哀乐。 </p><p>　　</p><p>　　什么是空间天气学呢？它是专门研究和预报从地球20-30公里之上直到太阳这一日地空间环境中的灾害性天气变化规律，减轻或防止空间灾害，为人类活动服务的学科（discipline）。用科学的术语来表述，它是一门正迅速发展的把日地物理科学与地面和空间技术的应用紧密结合在一起的学科。它是一门多学科、多技术领域高度交叉综合的跨世纪的新学科。下面就其产生背景、基本内涵和人们的认识作一简要介绍。 </p><p>　　</p><p>　　<strong>科学背景 </strong></p><p>　　</p><p>　　自1957年人造卫星上天，开辟人类进入空间时代新纪元以来，国际科联相继成立了空间研究委员会（COSPAR）和日地物理科学委员会（SCOSTEP），许多国家成立了国家级委员会。通过广泛的国际合作，对地球大气层之外的广大空间，特别是对日地空间系统，发射了上百颗科学卫星，建立了庞大的地面监测系统，实施了一系列重大的国际合作计划，如“日地物理计划”（ISTP）和“日地能量计划”（STEP）以及“地球环境模型”（GEM）等，知道太阳风暴来源于太阳爆发活动的物质喷射，它的速度高达每秒数百公里至数千公里，它形成的太阳风暴吹过地球时，将会引起地球空间环境急剧的变化，地球二极高纬地区绚丽多姿极光的出现是它到地球的光学；地磁场发生称之为地磁暴的突然扰动；电离层通讯条件发生称之为电离层暴的恶劣变化；卫星轨道的大气加热，密度增加，发生所谓热层暴以及高能量电子的通量突然增强事件等。这些现象都是相互有机联系的短期突发性现象，必须把太阳大气、行星际太阳风、地球空间的磁层、电离层、中高层大气作为一个有机耦合系统来加以探测和研究。当今空间探测开始对日地空间环境进行全球三维结构和过程的探测；变化规律研究开始把日地空间环境作为一个有机系统，定量了解其间的因果关系，空间灾害性事件研究开始从定性阶段向定量阶段发展。空间物理开始变成一门“硬”科学（Hard science）。科学上40余年的集累为空间天气学的产生奠定了必备的科学基础； </p><p>　　</p><p>　　<strong>社会需求 </strong></p><p>　　</p><p>　　随着人类进入二十一世纪高科技时代，日地空间环境中恶劣的天气条件常常给空间和地面的高科技系统，造成空间灾害。自1989年3月发生特大的空间灾害性事件以来，几乎每年都要发生重大的空间灾害。美国每年来自空间天气造成的损失都以数千万美元计（美国国家空间天气战略计划，1995），更不用说多颗通讯卫星的失效、甚至整个卫星的陨落。我国风云一号气象卫星（1990年11月）、亚太2号通讯卫星（1995年8月）等的失败都因恶劣空间天气所致。据美国和中国航天部门统计，卫星故障大约40%与空间天气条件有关。</p><p>　　</p><p>　　正是由于人类社会面临发展高科技的巨大需求，加之科学基础的基本具备，二者之结合，空间天气学尤如旭日东升，其发展之势必将磅礴于世。当今，除美国领头之外，欧洲空间局、德国、法国、英国、俄罗斯、瑞典、挪威、丹麦、土耳其、意大利、捷克、澳大利亚、西班牙、加拿大、日本等国都相继制定了空间天气起步（创新）计划，空间天气的研究已成为全球科技活动热点之一。 </p><p>　　</p><p>　　<strong>基本内涵 </strong></p><p>　　</p><p>　　空间天气学是空间天气（状态或事件）的监测、研究、建模、预报、效应、信息的传输与处理、对人类活动的影响以及空间天气的开发利用和服务等方面的集成，是多种学科（太阳物理、空间物理、地球物理、大气物理、宇宙线物理、空间等离子体物理、磁流体力学、数值计算、图像处理等）与多种技术（信息技术、计算机技术、各种探测技术和成像技术、空间和地面技术系统与环境相互作用等）的高度综合与交叉。 </p><p>　　</p><p>　　空间天气学的基本科学目标，是把太阳大气、行星际和地球的磁层、电离层和中高层大气作为一个有机系统，按空间灾害性天气事件过程的时序因果链关系配置空间、地面的监测体系，了解空间灾害性天气过程的变化规律。当前开展的主要科学课题涉及：太阳活动过程和物质输出结构研究；太阳风暴的形成、演化以及和地球的相互作用；地球空间系统的空间灾害性天气过程的因果链模式等方面。这些都是空间科学中面临巨大挑战的难题。 </p><p>　　</p><p>　　空间天气学的应用目标，就是减轻和避免空间灾害性天气对高科技技术系统所造成的昂贵损失，为航天、通信、导航、资源、电力、生态、医学、科研、宇航安全和国防等部门提供区域性和全球性的背景与时变的环境模式；为重要空间和地面活动提供空间天气预报、效应预测和决策依据；为效应分折和防护措施提供依据；为空间资源的开发、利用和人工控制空间天气探索可能途径，以及有关空间政策的制定，等等。 </p><p>　　</p><p>　　<strong>认识过程 </strong></p><p>　　</p><p>　　国际上，空间天气（Space Weather）一词大约于70年代的科学文献中作为一种对未来科学的“畅想”而提出；美国94年11月正式发表了“美国国家空间天气战略计划”，定义空间天气系指太阳上和太阳风、磁层、电离层和热层中影响空间、地面技术系统的运行和可靠性及危害人类健康和生命的条件（Conditions）；诺贝尔物理奖获得者、英国科学家T.Hewish教授曾写道：看来当今日益增长的兴趣是在空间天气方面（1997年12月10日贺卡）；国际空间研究委员会1996年7月14-21日第35届COSPAR会上 D.N.Baker等科学家指出它的多学科性质，空间研究中偏应用的研究领域被广泛称作“Space Weather”；美国宇航局专门成立了空间天气处（NASA Space Weather Bureau）,并在网上介绍（http://www.SpaceWeather.com）：空间天气是一门相对新的科学领域；美国空间天气工作组主席H.Koskinen: 在国际日地物理委员会的 News letter (Vol.2,No.1,Maceh,1999)上写到：Space Weather是一门正迅速发展的把日地物理科学与地面和空间技术应用紧密结合（Tying）在一起的学科（discipline）。 </p><p>　　</p><p>　　在我国，90年代初我国科学家们便指出“空间天气学的时代已经来临”，“已提到议事日程”（自然科学学科发展战略调研报告——空间物理，91年初稿科学出版社1996年）、“空间天气学”作为一门新兴的系统科学，必将在人类跨世纪的步伐中应运而生（地球科学进展，Vol.9,No.3,93年6月收稿，94年5月刊出；“九五”国家重大科学工程建议书中（1994年初提出）提出“为在二十一世纪初建立和发展《空间天气学》作出重要的国际贡献”；“九五”国家基金委重大项目建议书（1995.7.7）:“空间科学正进入一个科学与应用紧密结合的《空间天气学》新时期，它是多学科的前沿交叉领域”。“灾害性扰动过程研究将带动我国日地物理向《空间天气学》新阶段快速发展”，1997年5月、1998年8月和1999年10月分别在北京、黄山和昆明召开第一次、第二次和第三次全国《空间天气学》研讨会，号召大家为推动《空间天气学》的迅速发展起好先驱作用，并呼吁尽快制定“我国的空间天气战略计划”。 </p><p>　　</p><p>　　可以看到，我国和西方科学家明确指出Space Weather是一门学科，大体是在同一时期。今天人们对空间天气学的认识正经历一个快速发展和不断丰富的过程。显然，发展和建立空间天气学，建立能独立自主对空间天气变化进行监测、研究与预报的体系，既是对自然界的挑战，更关系到增强国家综合实力，它是一门具有重要基础性、战略性和前瞻性的跨世纪新学科。让我们勇作空间天气学的先驱者！ （魏奉思 中国科学院院士）</p><p>　　</p><p>　　</p><br />