搜索
空間天氣學十問答一、什麼是空間天氣學？（魏奉思中科院空間中心）二、空間災害性天氣對人類航太活動有什麼影響？（趙華中科院空間中心、朱文明航太工業總公司501部）三、空間災害性天氣對人類通信、導航活動有什麼影響？（郭兼善中科院空間中心、吳健資訊產業部22所）四、空間災害性天氣對人類地面技術系統（電力、輸油（氣）和資源等）和生態環境有什麼影響？（湯克雲中科院地質地球物理所、焦維新北京大學）五、空間天氣學的基本問題是什麼？（魏奉思中科院空間中心）六、如何監測空間天氣的變化？（焦維新北京大學、王家龍北京天文臺、萬衛星武漢物理與數學所、徐寄遙中科院空間中心）七、空間災害性天氣變化是如何發生的？（肖佐北京大學、王家龍北京天文臺八、目前關於空間災害性天氣變化的預報能力如何？（王家龍北京天文臺、高玉芬國家地震局地球所）九、國際空間天氣研究的態勢如何？（馮學尚中科院空間中心、張貴銀總參大氣所）十、我國在推動空間天氣學方面正在作出哪些努力？（於晟國家基金委地學部、朱志文國家基金委地學部）資料：重要的空間災害性天氣事件簡介（馮學尚中科院空間中心）一、什麼是《空間天氣學》?魏奉思中國科學院空間科學與應用研究中心，空間天氣研究實驗室千百年來，人們就知道，狂風暴雨、電閃雷鳴、洪澇、水旱，地球上這些惡劣的天氣變化給人們的衣、食、住、行和生產活動帶來災難。地球20-30公里以上的高空，甚至千萬公里的空間（或稱太空），也存在惡劣的空間天氣變化。例如，當太陽上高溫、高超音速的物質噴發所形成的太陽風暴吹過地球，有時會使衛星失效、提前隕落、通信中斷、導航、跟蹤失誤、電力系統損壞以及人的健康與生命帶來嚴重危害，卻是近2-30年來才逐步認識到的新事實。我們現在知道，從太陽到地球這個日地空間環境與人類生存和發展息息相關。它由太陽大氣、行星際介質、地球的磁層、電離層和中高層大氣所構成。這個空間環境自1957年人造衛星上天，人類的航太、通信、導航以及軍事活動等從地表擴展到成百、上千公里的空間，成為人類活動的重要場所；它的高高度、高真空、微重力、強輻射、高電導率等獨特的環境條件既為人類發展提供豐富的資源，又為航太、通信、資源探測、軍事等活動提供地面不可能有的便利；它阻止和吸收來自太陽的X射線、紫外線、高能帶電粒子以及超音速的太陽風暴對地球人類的直接轟擊，是人類生存的重要保護層。然而“水可載舟也可覆舟”，常常出現的惡劣空間天氣變化也給人類的高科技活動帶來如前所述的嚴重危害。太陽活動控制著它的喜怒哀樂。什麼是空間天氣學呢？它是專門研究和預報從地球20-30公里之上直到太陽這一日地空間環境中的災害性天氣變化規律，減輕或防止空間災害，為人類活動服務的學科（discipline）。用科學的術語來表述，它是一門正迅速發展的把日地物理科學與地面和空間技術的應用緊密結合在一起的學科。它是一門多學科、多技術領域高度交叉綜合的跨世紀的新學科。下面就其產生背景、基本內涵和人們的認識作一簡要介紹。�科學背景自1957年人造衛星上天，開闢人類進入空間時代新紀元以來，國際科聯相繼成立了空間研究委員會（COSPAR）和日地物理科學委員會（SCOSTEP），許多國家成立了國家級委員會。通過廣泛的國際合作，對地球大氣層之外的廣大空間，特別是對日地空間系統，發射了上百顆科學衛星，建立了龐大的地面監測系統，實施了一系列重大的國際合作計畫，如“日地物理計畫”（ISTP）和“日地能量計畫”（STEP）以及“地球環境模型”（GEM）等，知道太陽風暴來源於太陽爆發活動的物質噴射，它的速度高達每秒數百公里至數千公里，它形成的太陽風暴吹過地球時，將會引起地球空間環境急劇的變化，地球二極高緯地區絢麗多姿極光的出現是它到地球的光學；地磁場發生稱之為地磁暴的突然擾動；電離層通訊條件發生稱之為電離層暴的惡劣變化；衛星軌道的大氣加熱，密度增加，發生所謂熱層暴以及高能量電子的通量突然增強事件等。這些現象都是相互有機聯繫的短期突發性現象，必須把太陽大氣、行星際太陽風、地球空間的磁層、電離層、中高層大氣作為一個有機耦合系統來加以探測和研究。當今空間探測開始對日地空間環境進行全球三維結構和過程的探測；變化規律研究開始把日地空間環境作為一個有機系統，定量瞭解其間的因果關係，空間災害性事件研究開始從定性階段向定量階段發展。空間物理開始變成一門“硬”科學（Hardscience）。科學上40餘年的集累為空間天氣學的產生奠定了必備的科學基礎；�社會需求隨著人類進入二十一世紀高科技時代，日地空間環境中惡劣的天氣條件常常給空間和地面的高科技系統，造成空間災害。自1989年3月發生特大的空間災害性事件以來，幾乎每年都要發生重大的空間災害。美國每年來自空間天氣造成的損失都以數千萬美元計（美國國家空間天氣戰略計畫，1995），更不用說多顆通訊衛星的失效、甚至整個衛星的隕落。我國風雲一號氣象衛星（1990年11月）、亞太2號通訊衛星（1995年8月）等的失敗都因惡劣空間天氣所致。據美國和中國航天部門統計，衛星故障大約40%與空間天氣條件有關。人類進入高科技時代，許多軍事系統和精密打擊武器進入空間，空間成為重要的作戰空間和保障條件，尤如從科索沃戰爭和海灣戰爭所看到的，局部戰爭也變成高科技戰爭。顯然，減輕或避免空間災害帶來的巨大損失，以及增強國家安全，所有這些來自社會發展的緊迫需求正是產生空間天氣學的強大驅動力。正是由於人類社會面臨發展高科技的巨大需求（包括軍事的需求在內），加之科學基礎的基本具備，二者之結合，空間天氣學尤如旭日東昇，其發展之勢必將磅礴於世。當今，除美國領頭之外，歐洲空間局、德國、法國、英國、俄羅斯、瑞典、挪威、丹麥、土耳其、義大利、捷克、澳大利亞、西班牙、加拿大、日本等國都相繼制定了空間天氣起步（創新）計畫，空間天氣的研究已成為全球科技活動熱點之一。�基本內函《空間天氣學》是空間天氣（狀態或事件）的監測、研究、建模、預報、效應、資訊的傳輸與處理、對人類活動的影響以及空間天氣的開發利用和服務等方面的集成，是多種學科（太陽物理、空間物理、地球物理、大氣物理、宇宙線物理、空間等離子體物理、磁流體力學、數值計算、圖像處理等）與多種技術（資訊技術、電腦技術、各種探測技術和成像技術、空間和地面技術系統與環境相互作用等）的高度綜合與交叉。空間天氣學的基本科學目標，是把太陽大氣、行星際和地球的磁層、電離層和中高層大氣作為一個有機系統，按空間災害性天氣事件過程的時序因果鏈關係配置空間、地面的監測體系，瞭解空間災害性天氣過程的變化規律。當前開展的主要科學課題涉及：太陽活動過程和物質輸出結構研究；太陽風暴的形成、演化以及和地球的相互作用；地球空間系統的空間災害性天氣過程的因果鏈模式等方面。這些都是空間科學中面臨巨大挑戰的難題。空間天氣學的應用目標，就是減輕和避免空間災害性天氣對高科技技術系統所造成的昂貴損失，為航太、通信、導航、資源、電力、生態、醫學、科研、宇航安全和國防等部門提供區域性和全球性的背景與時變的環境模式；為重要空間和地面活動提供空間天氣預報、效應預測和決策依據；為效應分折和防護措施提供依據；為空間資源的開發、利用和人工控制空間天氣探索可能途徑，以及有關空間政策的制定，等等。�認識過程國際上，空間天氣（SpaceWeather）一詞大約於70年代的科學文獻中作為一種對未來科學的“暢想”而提出；美國94年11月正式發表了“美國國家空間天氣戰略計畫”，定義空間天氣系指太陽上和太陽風、磁層、電離層和熱層中影響空間、地面技術系統的運行和可靠性及危害人類健康和生命的條件（Conditions）；諾貝爾物理獎獲得者、英國科學家T.Hewish教授曾寫道：看來當今日益增長的興趣是在空間天氣方面（1997年12月10日賀卡）；國際空間研究委員會1996年7月14-21日第35屆COSPAR會上D.N.Baker等科學家指出它的多學科性質，空間研究中偏應用的研究領域被廣泛稱作“SpaceWeather”；美國宇航局專門成立了空間天氣處（NASASpaceWeatherBureau）,並在網上介紹（）：空間天氣是一門相對新的科學領域；美國空間天氣工作組主席H.Koskinen:在國際日地物理委員會的Newsletter(Vol.2,No.1,Maceh,1999)上寫到：SpaceWeather是一門正迅速發展的把日地物理科學與地面和空間技術應用緊密結合（Tying）在一起的學科（discipline）。在我國，90年代初我國科學家們便指出“空間天氣學的時代已經來臨”，“已提到議事日程”（自然科學學科發展戰略調研報告——空間物理，91年初稿科學出版社1996年）、“空間天氣學”作為一門新興的系統科學，必將在人類跨世紀的步伐中應運而生（地球科學進展，Vol.9,No.3,93年6月收稿，94年5月刊出；“九五”國家重大科學工程建議書中（1994年初提出）提出“為在二十一世紀初建立和發展《空間天氣學》作出重要的國際貢獻”；“九五”國家基金委重大專案建議書（1995.7.7）:“空間科學正進入一個科學與應用緊密結合的《空間天氣學》新時期，它是多學科的前沿交叉領域”。“災害性擾動過程研究將帶動我國日地物理向《空間天氣學》新階段快速發展”，1997年5月、1998年8月和1999年10月分別在北京、黃山和昆明召開第一次、第二次和第三次全國《空間天氣學》研討會，號召大家為推動《空間天氣學》的迅速發展起好先驅作用，並呼籲儘快制定“我國的空間天氣戰略計畫”。可以看到，我國和西方科學家明確指出SpaceWeather是一門學科，大體是在同一時期。今天人們對空間天氣學的認識正經歷一個快速發展和不斷豐富的過程。顯然，發展和建立空間天氣學，建立能獨立自主對空間天氣變化進行監測、研究與預報的體系，既是對自然界的挑戰，更關係到增強國家綜合實力，它是一門具有重要基礎性、戰略性和前瞻性的跨世紀新學科。讓我們勇作空間天氣學的先驅者！二、空間災害性天氣對人類航太活動有什麼影響?趙華1朱文明21．中國科學院空間科學與應用研究中心，空間天氣研究實驗室2．航太工業總公司501所1994年1月份的幾天裏，加拿大部分地區的電視、廣播、電話等不能正常工作，給當地人們的生活、工作造成了重大的不利影響。這次事故的原因不是恐怖分子襲擊了各電視臺、廣播電臺、電話局，而是為電視、廣播、電話提供通訊服務的三顆同步軌道通訊衛星Intersat-K,AnikE1和AnikE2受到了空間環境的強烈干擾。衛星上的慣性陀螺儀失效，衛星姿態失去控制，衛星不能正常提通訊服務所至。衛星及大部分空間飛行器的運行區域是地球大氣層以上的電離層，磁層及行星際空間。這些空間區域並不是完全的“真空”，而是“充滿”著大量的等離子體(一種處於電離狀態的粒子氣體)、高能粒子、微流星體、塵埃、空間碎片、中性原子和電磁射線等物質。空間飛行器就是運行在這樣的空間環境中。這些物質對航天器有一定的作用，其作用形式及效應與這些物質的分佈狀態及運動狀態有極大的關係。對空間環境中各種物質分佈狀態及運動狀態的描述及對這些狀態變化規律的研究就是空間天氣學的基本內容。空間環境對空間飛行器正常運行的重大干擾則是“空間災害性天氣”的一部分。研究造成航天器異常/故障，尤其是使航天器任務部分或全部失效的災害性擾動環境，發展預報發生空間災害性“天氣”的方法、模式、手段，是實現航天器在軌任務及工作壽命的重要保障。航天器系統受到空間環境影響產生的主要問題包括：微米尺度的顆粒撞擊航天器系統，造成系統結構的破壞；由於高能帶電粒子引起的單粒子翻轉事件；由於污染及輻射造成材料性能的惡化；電介質的擊穿、空間系統的強靜電、等離子體紊亂造成電磁波的折射與散射，以及對空間系統探測器的干擾等。前面所提及的加拿大通信衛星出現故障主要是由於高能電子引發的深層充電所造成的。國內、外諸多在軌運行衛星發生異常/故障的分析結果表明，由空間環境因素引發的故障占總故障的40%。隨著衛星技術的發展，航天器上的儀器越來越精密、探測器越來越靈敏、太陽能電池帆板越來越輕。這些新技