空間天氣

傳統“天氣”的物理定義是：瞬時或較短時間內風、雲、降水、溫度、氣壓等氣象要素綜合顯示的大氣狀態。日常所講的天氣，是指發生在對流層內、影響人類生活、生產的中性大氣物理圖象和物理狀態，例如陰、晴、雨、雪、冷、暖、干、濕等。

日冕物質拋射及相關衝擊波，也是空間天氣的重要動力，因為它們可以壓縮的磁層和觸發地磁風暴。太陽高能粒子，日冕物質拋射或由太陽耀斑加速，也是對空間天氣的重要驅動力，因為它們可以破壞航天器電子設備，並威脅到宇航員的生命。空間天氣對空間探索和發展這些領域產生深遠的影響。地磁的變化可引起大氣密度的變化導致低地球軌道航天器的高度迅速降低。由於太陽活動引起的地磁風暴能夠致盲航天器上的感測器並干擾機載電子設備。對於人造航天器的防護系統的設計來說了解空間環 境至關重要。磁暴同樣會增加高空飛行情況下飛機乘務員的輻射量。

空間天氣是指近地空間或從太陽大氣到地球大氣的空間環境狀態的變化。與地球行星大氣（對流層和平流層）中天氣的概念不同，空間天氣描述的是空間中背景等離子體、磁場、輻射等的變化。大多數空間天氣事件是由源於太陽近表面和太陽大氣（色球和日面）的太陽風所攜帶的能量驅動的。空間天氣有時候也指行星際空間（極少數情況下指星際空間）的環境狀態變化。

空間天氣有兩個重點：科學研究和應用。空間天氣這個術語直到20世紀90年代才開始使用，在此之前，當前意義上的空間天氣活動被認為是物理或高層大氣物理學和空間探索的一部分。

相對於地面天氣而言，空間天氣發生在距離地面30公里以上。空間天氣涉及的物理參數與大氣天氣有很大不 同。太陽每時每刻往外噴射著高速帶電粒子流，人們稱之為“太陽風”。當太陽風十分強勁時，即產生名副其實的“太陽風暴”。當太陽風暴襲擊地球時，便使地球磁場產生激烈的擾動——磁暴。磁暴會在人類的供電網中誘發強大的衝擊電流，從而造成輸電網路癱瘓。

其實，我們能夠看到，感受到的陰晴冷暖，都是發生在對流層之內。而在此之外的空間天氣，存在於地球與太陽之間，同樣發生著劇烈的活動，並且與人類的生存，發展息息相關。

幾個世紀以來，人們已經注意到空間天氣造成的極光，但不理解它。中世紀歐洲航海家使用天然磁石磁羅盤導航儀時注意到石頭的方向有時候會偏離磁北極。這是1600年在《De Magnete》書中描述的，但是直到19世紀才知道是由空間天氣造成的。1840年空間天氣在各區域的不同時段影響了第一份電報。1859年的巨大太陽風暴中斷了全球的電報業務，被當時的許多主要報紙刊登報道。Richard Carrington把這次中斷與一天前觀測到的太陽耀斑以及與電報中斷同時發生的地磁場大的偏轉（磁暴）正確地聯繫起來。根據這種聯繫，空間天氣已經成為太陽物理學範圍內的學術研究課題。KristianBirkeland通過在他的實驗室中人工製造極光解釋了極光的物理過程，並預測了太陽風的存在。隨著無線電在商業和軍事領域的應用，人們注意到極端平靜和雜訊存在周期性。在1942年的大太陽事件期間雷達受到的嚴重干擾引導人們發現了空間天氣的另一個方面：太陽射電爆發（太陽耀斑產生的覆蓋很寬頻率範圍的無線電波）。

在20世紀，由於軍事和商業系統都依賴於空間天氣系統的影響，人們對空間天氣越來越感興趣。通信衛星是全球貿易的重要組成部分，氣象衛星系統提供地面天氣信息，全球定位系統的衛星信號在各種各樣的商業產品和過程得到廣泛使用。空間天氣現象會幹擾或破壞這些衛星，或者干擾這些衛星的無線電上行和下行信號。空間天氣現象會在長距離輸電線路中產生有損害作用的浪涌電流，也會使飛機上的乘客和機組人員暴露在輻射之中，特別是在極地航線上。

國際地球物理年（IGY）大大促進了空間天氣研究。IGY期間獲得的地基數據表明，極光發生在距離磁極15~25緯度，寬5~20度的極光橢圓帶上，是一個永久的發光區域。1958年，Explorer I衛星發現了范艾倫帶，也即輻射粒子被地球的磁場束縛的區域。1959年1月，蘇聯衛星Luna 1第一次直接觀察到了太陽風，並對其強度進行了測量。1969年，INJUN-5（又名Explorer 40）第一次直接觀察到由太陽風帶來的地球高緯電離層電場。20世紀70年代早期，Triad數據表明在極光橢圓帶和磁層之間永久的存在電流。由於這些及其它重要的發現，空間天氣研究快速增長。

在我們的太陽系中，空間天氣主要受太陽風的速度和密度，以及太陽風等離子體攜帶的行星際磁場（IMF）影響。很多物理現象都與空間天氣有關，包括地磁暴和亞暴，范艾倫輻射帶能量增強，電離層擾動，星地無線電信號閃爍，遠距離雷達信號閃爍，極光和地球表面地磁感應電流。日冕物質拋射和與其相關的激波也是重要的空間天氣驅動源，因為它們可以壓縮磁層並引發磁暴。由日冕質量拋射和太陽耀斑加速的太陽高能粒子，也是一個重要的空間天氣驅動源，因為它們能損壞航天器中的電子器件（如Galaxy 15的失效），並威脅到宇航員的生命。

20世紀90年代，空間環境對人類系統的影響使得人們越來越明顯的感覺需要一個更加協調的研究和應用框架，空間天氣這個術語也隨之被人們使用。美國國家空間天氣計劃的目的就是將研究集中在受空間天氣影響的商業和軍事群體的需求上，將研究團體和用戶群體聯繫起來，協調各業務數據中心，並更好地定義用戶群體的需求。這個概念在2000年轉化為行動計劃，在2002年轉化為實施規劃，並在2006年進行評估，在2010年進行戰略修訂。修改後的行動計劃將在2011年發布，修訂后實施規劃將在2012年發布。國家空間天氣計劃的一部分是讓用戶知道空間天氣影響了他們的業務。

早在1994年，美國就批准實施了“國家空間天氣計劃”，包括政府部門、研究機構、大學、企業在內的跨部門持續協作，增強並鞏固了美國在空間天氣領域的領先地位。

特別引人關注的是，美國軍方在空間天氣研究中始終佔據主導地位，關乎國家安全的空間天氣探測設施和探測產品始終居于軍方控制之下。例如，在太陽觀測方面，美軍擁有分別位於澳大利亞、義大利、馬薩諸塞州、新墨西哥州和夏威夷州等地的太陽地基觀測網，對太陽實施號稱“日不落”式的連續觀測；在電離層探測方面，美軍擁有遍布美國全境和世界主要地區的電離層綜合探測網；在衛星軌道空間天氣探測方面，美軍擁有部署於GPS等系列衛星的天基空間天氣探測網。他們還在研究成果的業務轉化方面給予了特別關注，比如，美國空軍著名的第55中隊，就是專門從事空間天氣業務的專業力量。

空間天氣對人類生活造成的威脅與危害是多方面的。以1989年歷史上著名的“魁北克事件”為例，進行一番分析解讀。該年是第22太陽活動周的黑子數高峰年，僅在3月，太陽風暴就先後產生了107次太陽X射線耀斑，以及數十次強度不等的日冕物質拋射。

“魁北克事件”廣為人知的影響是造成多起電力系統故障。大磁暴造成加拿大魁北克省的大部分地區停電達9小時以上，600萬居民受到影響。

大磁暴造成了多起通信故障或中斷。強烈太陽耀斑引起過39次強烈短波通訊突然騷擾，其中15次通訊部分中斷，24次全部中斷。

大磁暴還引起了多起航天器運行故障。累計有46 例衛星異常的記錄。例如，美國國家氣象衛星一度中斷向用戶發送雲圖，某系列導航衛星幾天不能正常工作，軍事系統跟蹤的幾千個空中目標需要重新定位。

據不完全統計，類似“魁北克事件”的災害性空間天氣事件每個太陽活動周平均會出現幾起至十幾起。如在第23太陽活動周的“萬聖節事件”(因正值西方的萬聖節而得名)，造成全球短波通訊中斷，民航通訊出現故障，伊拉克戰場美英聯軍通訊受到影響，NASA的火星探測衛星Odyssey飛船上的觀測設備被粒子輻射徹底毀壞，我國北京、滿洲里無線電觀測點短波信號也曾因此一度中斷。

在戰爭歷史上，利用天氣而克敵制勝的戰爭範例不勝枚舉，掌握和利用空間天氣對於未來高技術戰爭乃至太空對抗同樣重要。只有“把脈”空間天氣，才能制勝未來戰場。

隨著現代軍事高技術的發展，基於太空平台的武器系統和信息系統在軍事中的應用越來越廣泛。隨之而來的是，空間天氣對軍事活動的影響範圍不斷擴大，影響程度也不斷加深。

對軍用通信、預警、導航定位產生影響：當空間災害性天氣發生時，短波無線電通信和預警雷達的可用頻帶會因電離層突然騷擾而變窄，衛星微波通信也會因電離層閃爍而降低通信質量，甚至信號中斷；GPS衛星導航、定位誤差會因電離層暴而增至幾十米至幾百米。

對戰略武器使用產生影響：太陽風暴導致高層大氣密度發生劇烈擾動，導彈飛行的實際軌道將嚴重偏離預測軌道，以至地面跟蹤站會“丟失”跟蹤目標。

與太陽的可見光波段和紅外波段的電磁輻射的能量相比，源於所有空間天氣現象所引起的進入地球大氣對流層和平流層的總能量是微不足道的。然而，在太陽黑子的准11年周期與地球的氣候之間似乎確實存在著某些聯繫。比如，長達70年的幾乎沒有黑子活動的蒙德極小期與地球氣候變冷相關。對於這種聯繫，有一種說法是，宇宙線通量的改變會使得雲形成的數量發生變化。另一種說法是，地球氣候的驅動源對太陽遠紫外通量的變化響應敏感，而且，太陽遠紫外通量的變化會決定了地球太平洋是出現厄爾尼諾還是拉尼娜現象。但兩者是否有關聯，仍然沒有定論。

被用於科學研究和應用的空間天氣的監測已經被建立起來。多年以來，由於我們對空間天氣理解的領域的擴大和與其他空間相關的研究的資金競爭，使得用於科學研究的空間天氣監測的種類十分多樣化。而由於我們對其認識和應用的不斷提高，與應用相關的空間天氣監測則變得更系統、更廣泛。

空間天氣地基監測

目前，通過觀測地球磁場幾秒到幾天內的變化、觀測太陽表面和太陽大氣所產生的無線電雜訊已經能在地面上監控空間天氣。比如沃爾夫黑子相對數，F10.7，地磁指數，太陽光球層，中子探測器，電離層電子總含量TEC等早已被監測和利用。

空間天氣的衛星監測

自從探險者1號飛船發現太空不是真空虛無的，許多飛船（飛船上搭載了很多種探測儀器）就已經發射去發現和描繪空間環境。著名的衛星有：STEREO衛星，輻射帶探針衛星RBSP，WIND衛星，ACE衛星，SOHO衛星，GOES系列飛船，POES系列，DMSP系列，Meteosat系列衛星等。這些衛星打造的磁強計，高能粒子探測儀，太陽X射線成像儀，遠紫外成像儀等等，觀測得到了持續不斷的太陽風資料和太陽電磁頻譜資料，對我們了解空間天氣和預測空間天氣有巨大幫助。

空間天氣模式是指計算機對空間環境的模擬。類似於氣象計算機模式，空間天氣模式根據有限的一組數據值，並且推斷出描述模式中整體或部分空間天氣環境的值。每一個模式都能對環境隨時間如何演變進行預測或部分預測。計算模式使用一系列的數學方程來描述涉及的物理過程。在過去的20年中，空間天氣模式的研究與發展的一個重要部分就是成為美國國家科學基金的地球空間環境模式(GEM)計劃的部分。模擬的兩個主要中心分別是：空間環境模擬中心(CSEM)和綜合空間天氣模擬中心(CISM)。

1859年9月2日，過去200年中最大的地磁暴導致電報服務的普遍中斷。

1994年1月20日，地磁暴使得加拿大通信衛星ANIKE1和E2及國際通信衛星Intelsat K的暫停。

1997年1月7日，1月10日日冕物質拋射撞地球的磁層並且對AT&T Telstar 401號通信衛星（價值2億美元）造成損失。

1921年5月15-16日，其中一個最大的地磁暴引起紐約市125街紐約中央鐵路的整個信號和交換系統失效。全球電報服務業中斷。

1972年8月7日，出現一次大的太陽高能粒子事件。如果宇航員在那時候在太空，將會導致死亡，至少也會危及生命。

1989年10月19 日，一次大的太陽活動，包含了全部的空間天氣效應：太陽高能粒子，日冕物質拋射，福布希下降，地面水平提高，磁暴等。

2002年4月21日，在一次大的太陽高能粒子事件中希望號火星探測器受到撞擊，從而導致大規模的故障。已經超出計劃3年了，最終於2003年12月被放棄了。

必須立足於構建包括天基、地基在內的“天地一體化探測體系”，著眼於形成完善的戰場空間天氣信息獲取能力、準確的空間天氣預警預報能力、有效的空間天氣效應分析能力、可靠的空間天氣輔助決策能力，全面加強軍事空間天氣保障能力建設。

必須清醒地認識到：現代戰爭正在向著精確化打擊方向發展，環境信息成為影響精確化打擊的一個重要條件，更需要空間天氣預報能提供實時、準確的空間天氣信息。惡劣的空間天氣可能對空間、地面的高技術系統造成嚴重影響，而且這種影響一旦產生，可能代價將十分昂貴且難以短時彌補，甚至會直接導致戰爭的失敗。

在我國，空間天氣領域的專家學者也進行了相關的研究與研討。主體結論是，第24太陽活動周太陽活動總體水平中等偏低，整個峰年期間出現幾次至十幾次太陽風暴是可以肯定的，至於是否出現超級太陽風暴，目前的認識水平無法給出肯定的答覆。面對這一挑戰，我們的態度應當是：積極應對，應急先行，統籌兼顧，反應適度。

空間天氣學是應用廣泛的一門新興交叉學科，系統地介紹了空間天氣學研究的內容和最新進展。全書共分五章，第一章是概論，主要介紹了空間天氣學的基本概念。第二章是太陽大氣與行星際天氣，重點介紹太陽耀斑、日冕物質拋射、太陽能量粒子事件和行星際激波。第三章介紹地球空間天氣系統與天氣過程以及太陽活動影響氣象過程的可能機制。第四章介紹空間天氣對各種技術系統的效應。第五章介紹了空間天氣建模和預報的基本情況和典型模式及預報方法。

本書可作為高等院校空間物理學、空間環境學和大氣環境學等相關專業本科生和研究生的教材，也可作為空間科學、大氣科學、天文學、環境科學、航天、通訊、軍事、國防等部門研究人員和業務人員的參考用書。

空間天氣（Space Weather）一詞始見於20世紀70年代初美國一位空間物理學家M.Dryer博士的《太陽活動觀測和預報》的序言。它指的是“太陽上太陽風、磁層、電離層和熱層中可影響天基和地基技術系統的正常運行和可靠性，危及人類健康和生命的條件或狀態。它研究地表對流層之上直至太陽大氣整個日地空間環境中最富變幻、對空間技術系統最具危害性的天氣變化，它包括有關電磁輻射、帶電粒子、等離子體和中性大氣中的突發性的、短時間尺度的、動態易變的暴時變化現象的基本過程和變化規律。

二． 空間天氣的影響

在我們的太陽系內，空間天氣主要受太陽風的風速和密度、以及太陽等離子體帶來的行星際磁場三者的影響。各種各樣的物理現象都與空間天氣相關，包括地磁風暴和亞暴，在范艾倫輻射帶的電流，電離層擾動和閃爍，極光和在地球表面的磁場變化誘導的電流等。日冕物質拋射及相關衝擊波可以壓縮的磁層和觸發地磁風暴。太陽高能粒子，日冕物質拋射或由太陽耀斑加速可以破壞航天器電子設備，並威脅到宇航員的生命。他們都是空間天氣的重要動力。

空間天氣災害主要涉及高能帶電粒子對航天器的危害，太陽爆發性活動對導航、通訊和定位的嚴重影響，地磁場急劇變化（磁暴）對輸電系統和地下管線的破壞，高層大氣密度對航天器軌道壽命的影響等。這些災害可引起衛星運行、通信、導航以及電站輸送網路的崩潰，造成各方面的社會經濟損失。空間天氣變化直接影響了以航天技術為代表的人累科技發展和社會生活越來越依賴的高技術。

空間天氣對戰爭也有很大的影響。宇宙間高能帶電粒子不斷轟擊航天器表面，可造成航天器輻射損傷，更高能的粒子可穿過電子器件，在電子信號串中改變數據位，導致儀器發出混亂指令或提供錯誤數據。當空間災害性天氣發生時，無線電通信和雷達信號傳輸會受到影響，衛星微波通信也會因電離層擾動而降低通信質量。電離層閃爍可導致GPS衛星導航、定位誤差高達幾十米至幾百米，甚至信號中斷。

三． 研究空間天氣的意義

空間天氣學是為適應人類高科技發展而誕生的，其研究對象是空間天氣發生、發展和變化規律以及如何運用這些規律來進行空間天氣預報，同時，空間天氣學還研究各種空間天氣效應以及避免和減輕空間天氣災害的方法和途徑。

空間天氣學要為人類的高科技活動“保駕護航”，開展空間天氣服務，減輕或避免空間災害的損失與危害是它的終極目的。空間天氣服務包括：

(1)提供空間天氣產品——常規產品：觀測數據、模式、環境規範，效應分析；專項產品(根據用戶的特定需要而進行特別加工的產品)：預報產品、警報、現報、預報。

(2)效應診斷與分析——鑒別系統異常或失效是否由空間天氣因素或其它工程設計、機械故障或軟體錯誤引起。

(3)建議防護措施或改進工程設計。

(4)調整地面與空間技術系統的運作程序和採取應變措施。