空間天氣學

空間天氣學是應用廣泛的一門新興交叉學科，陽耀斑、日冕物質拋射、太陽能量粒子事件和行星際激波。

空間天氣是一個全新的概念，太陽上出現的耀斑和日面物質的拋射等劇烈活動，給地球磁層，電離層和中高層大氣，衛星運行和安全，以及人類健康，帶來嚴重影響和危害，人們把這種由太陽活動引起的短時間尺度的變化，稱之為空間天氣。

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。

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，了解空間災害性天氣過程的變化規律。

空間天氣學的應用目標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，為航天、通信、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；為效應分析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。

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，更關係到增加國家綜合實力，是一門具有重要基礎性、戰略性和前瞻性的跨世紀新學科。

當前，人類科技發展和社會生活越來越依賴以航天技術為代表的高技術。恰恰是這些高技術，受空間天氣變化的直接影響。因此，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。

具體來說，空間天氣學研究太陽爆發性活動的規律，這些爆發性活動從太陽表面傳播到地球過程中是怎樣演變的；磁暴和突髮式電離層騷擾發生的規律及其對高技術系統的效應；高能帶電粒子暴出現的規律及其對航天器安全的影響；人工局部改變空間天氣的方法以及對軍事活動的影響等。

空間天氣學研究起步晚，但發展快。國際上，空間天氣（Space Weather）一詞大約於20世紀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1994年11月正式發表了“美國國家空間天氣戰略計劃”，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。

短短的幾年，空間天氣學的研究、作用和影響，超過了人們的預料。概括來說，當前空間天氣學研究具有以下特點：

1、從部門行為發展為國家或區域性行為，美國、俄羅斯等國及歐洲空間局(ESA)都已制定並實施空間天氣學研究戰略規劃；包括我國在內，許多國家都定期召開空間天氣學研討會。

2、從以研究為主的階段逐漸嚮應用和服務階段轉化，從描述向預報轉變，從定性向定量轉變；已經建立並逐漸完善了各種空間天氣模式，範圍從空間天氣的源———太陽、太陽風，一直到電離層和熱層。

3、空間天氣學已經納入大學的教學內容。在我國，北京大學於1998年率先在我國高校中開設了空間天氣學課程，我國第一本空間天氣學專著已經正式出版發行。

4、發射了一些新的空間天氣探測衛星，這些衛星都採用了許多新技術，因而取得了一些新成果，使人們“看到”了用肉眼不能看見的空間天氣的狀況。

5、對空間天氣效應的研究越來越引起人們的重視，研究成果在工程設計中的地位加強，效應計算軟體、設計標準規範等不斷問世。

6、預報進入實施並廣泛發布階段，美國、澳大利亞和ESA等國家和區域組織均已通過Internet發布預報。

航天器表面充電

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。

在航天器暴露的外表面上的電荷積累稱為航天器表面充電。表面充電包括絕對充電和不等量充電兩種類型。如果航天器表面全都是金屬，整個飛船將充電到相同的電位，這個過程稱為絕對充電。絕對充電只是瞬時才能實現，特徵周期是毫秒的量級。如果航天器表面使用電介質材料，表面不同部位可能具有不同的電位，這個過程稱不等量充電。不等量充電具有秒到分鐘的時間尺度。介電材料是積累電荷的不良分佈者，因此將存貯在它們中的電荷保持在某一部分。充電粒子通量的變化使得這些表面達到不同的浮動電位。航天器受日照的表面和處於陰影的表面，是不等量充電的典型情況。在兩個表面浮動電位差的進一步發展，將引起它們之間電場的發展。不等量充電可能產生強的電場並影響航天器絕對充電的水平。從異常效應的觀點來看，不等量充電比絕對充電效應更大，因為它可導致表面弧光放電或航天器不同電位表面之間的靜電放電（ESD）。這種弧光放電或火花放電直接引起航天器部件的損壞和在電子部件中產生嚴重的干擾脈衝。在同步軌道，航天器異常基本上是由不等量充電引起的。

航天器表面電位隨空間等離子體的狀態變化。在亞暴期間，高密度、低能量的等離子體被能量為1~50keV的低密度等離子體雲取代。這種情況可使航天器介電錶面充電到很高電位，甚至發生靜電放電擊穿現象。

航天器內部充電

航天器內部充電是由能量範圍為0.1到10 MeV的高能電子引起的，它們穿透航天器的屏蔽層，沉積在電介質內。當電荷的積累率高於電荷的泄漏率時，這些電荷產生的電場有可能超過介質的擊穿閾值，產生靜電放電，從而造成航天器某些部件的損壞，最終導致航天器完全失效，帶來嚴重的經濟損失和社會影響。例如，1998年5月19日，美國“Galaxy-4”通訊衛星失效，使美國80%的尋呼機關閉，同時關閉的還有有線電視和廣播傳播、信用卡授權網路和公司通信系統。為了恢復衛星服務，不得不移動多顆衛星，並且不得不對數以千計的地面天線進行手工重新定位。類似事件已經發生許多起。據美國地球物理中心資料庫提供的資料，從1989年3月7日至31日的46例衛星異常，大部分診斷為ESD。由此可見，高能電子引起的ESD對衛星構成了嚴重的威脅。正因如此，高能電子被稱為衛星的“殺手”。

航天器中的單粒子事件

當高能重離子或質子打到電子學部件的晶元上時，在晶元的P-N結上產生的電荷使邏輯電路發生非正常電位翻轉、鎖定或擊穿，這種現象稱為單粒子事件。發生單粒子事件的概率與高能質子通量有密切關係。如果偶然發生單粒子事件，可以通過編碼校正裝置糾正，但頻繁發生的單粒子事件，可導致航天器失效。

輻射效應

材料因輻射使分子結構產生缺陷，受到傷害，這種效應稱為輻射損傷。輻射損傷主要是通過以下兩個作用方式：一是電離作用，另一種是原子的位移作用，是由停留在物質中的相對低能量的原子粒子引起的。這些停止的粒子將硅原子撞出適當的晶格位置，使晶格結構產生缺陷，增加裝置的電阻。這個問題對太陽能電池特別重要。因為隨著位移損害的積累，電阻逐漸增加，輸出功率將減少。

高能質子和重離子即能產生電離作用，又能產生位移作用。這些作用導致航天器上的各種材料、電子器件等的性質變差，嚴重時會損壞。如玻璃材料在嚴重輻照後會變黑、變暗；膠捲變得模糊不清；太陽電池輸出降低；各種半導體器件性能衰退，甚至完全損壞。

總損害效應是各種輻射長期積累的總效應。總輻射損害通常限制了飛船電子部件的壽命。固體部件的電子學性質因暴露在輻射環境中而改變。由於損害的積累，這些變化使得部件的參數偏離電路正常工作的設計值。

高能電磁輻射或粒子輻射穿入人體細胞，使組成細胞的分子電離，可毀壞細胞的正常功能。對細胞最嚴重的危害是當DNA受到損傷時。DNA是細胞的心臟，包含所有產生新細胞的結構。對DNA的輻射損傷有兩種主要形式：一種是間接方式，當人體中的水分子吸收了大部分輻射而電離時，形成了具有高度活性的自由基，這些自由基可損壞DNA分子。另一種是直接方式，輻射與DNA分子碰撞，使其電離或直接損壞。

輻射病的癥狀包括嚴重灼傷、不能生育、腫瘤和其它組織的損傷。嚴重損傷可導致快速(幾天或幾周)死亡。DNA的變異可遺傳給後代。

相對於地面天氣而言，空間天氣發生在距地30公里以外。空間天氣涉及的物理參數與日常所說的天氣有很大 不同。空間天氣關心的“風”是太陽風，“雨”是來自太陽的帶電粒子雨；空間天氣沒有陰晴之分，但有太陽和地磁場的“平靜”與“擾動”之別，空間天氣不太關心“冷暖”，而特別注意太陽的紫外線和X射線輻射的變化。

太陽是距我們最近的一顆恆星，它的光芒惠澤了地球上的萬事萬物。除了陽光以外，太陽還每時每刻往外噴射著高速帶電粒子流，人們形象地稱之為“太陽風”。當太陽風十分強勁時，產生名副其實的“太陽風暴”。當太陽風暴襲擊地球時，我們幸虧有地球磁場作為天然盾牌，才得以安然無恙。然而，地球磁場本身在為我們承受“打擊”時，產生激烈的擾動——磁暴。磁暴會在人類的供電網中誘發強大衝擊電流，進而造成輸電網路崩潰。

在太陽峰年期間，太陽風暴的強烈影響非常顯著，引起空間環境發生災害性變化，給人類活動帶來巨大損失。1989年3月13日至14日，太陽風暴造成加拿大魁北克地區電網停電，600萬人遭受停電之苦，挨凍一天。同時造成全球無線電通信中斷，輪船、飛機的導航系統失靈，衛星受損減壽而提前隕落。這是歷史上罕見的空間災害性天氣事件，引起國際社會的震驚。人們越來越感到太陽有其“不友善”的一面，太陽如何影響地球（即日地聯繫）及空間天氣的變化狀況日益受到關注。

以航天技術為代表的高技術，受空間天氣變化的直接影響。在航天領域，衛星故障40%來自空間天氣；在國民經濟領域，空間天氣變化導致磁場強烈變化，從而引起的感應電流，會破壞電力系統的變壓器造成停電，腐蝕輸油管造成泄漏；在自然災害領域，地球上的洪、澇、乾旱、平均氣溫變化、臭氧含量的減少等自然災害，以及影響人類健康的心腦血管疾病、皮膚癌和社會突發事件與空間天氣的關係，也正成為眾多科學家關注的熱點。

20世紀90年代，中國經濟實力明顯增強，飛船回收、神舟遨遊太空、載人航天、導航衛星和嫦娥繞月工程等 的成功，吹響了我國從航天大國向航天強國邁進的號角。與此同時，有關空間天氣的探索、研究與預報工作也進入了快速發展期。

過去10年我國空間天氣科學無論是在天基、地基的探測能力、研究水平與規模、建模與預報的開展、研究機構和隊伍建設以及國際合作諸多方面，都取得了長足的進展。這為我國在今後10年實現第二次保障能力的跨越發展，跨進到美國之後的法、英、德、日、俄、加等先進國家之列，創造了“天時、地利、人和”的最佳歷史機遇。我國空間天氣事業從艱難起步水平躍進到二流國家前列、緊逼先進國家之後的水平，實現了第一次起步的跨越發展。

進展與成果

天基觀測走上軌道

隨著人們對空間環境認知水平的提升，除了已有實踐序列衛星和各類搭載衛星對空間環境進行監測外，開始有了關注空間天氣基本物理過程和變化規律方面的科學衛星。地球空間雙星探測計劃（2003-12～2004-7）成功發射，它和歐空局的Cluster飛船形成六點星座來探測地球磁層空間的多尺度結構，這是我國真正意義上的第一顆科學衛星。雙星被評為2004年度中國/世界十大科學進展新聞。雙星首席科學家劉振興院士被評為2004年度中國十大創新英才；我國以塗傳詒院士為首的一批空間物理學家和以張永維總工為代表的航天工程師們，瞄準日地空間系統中空間天氣的全球整體行為研究這一重大科學前沿，在基金委地球科學部重點基金項目的資助下適時提出夸父空間天氣探測衛星計劃，並獲准為航天領域的背景項目。該計劃由位於日地引力平衡處的拉格朗日點L1的A星——對太陽活動和行星際天氣進行24小時全天候監測，以及對地球兩極極光進行共軛觀測的B星組成。夸父計劃作為專題列入國際空間研究委員會（COSPAR）36屆年會和西太平洋地球物理年會（WPGM），受到國內外專家的好評。

2006年8月4日，美國Science雜誌（Vol. 313，607）的《新聞焦點》欄目報道了美國新的通信導航預測衛星計劃和中國的夸父計劃。文中說：中國正推進一個稱為夸父的太陽觀測計劃，預計在2012年發射探測衛星。它將在很高的精度上追蹤太陽爆發和地磁暴。該計劃有許多首創，如果順利實施，它將發揮出至關重要的作用。

此外，我國正在積極推進的太陽空間望遠鏡和太陽爆發小衛星等天基觀測計劃，也將對我國空間天氣科學發展作出重要貢獻。後續的一些衛星計劃，如磁層、電離層和熱層耦合衛星計劃（MIT）與由應用驅動的空間天氣系列衛星計劃也正在提出和推動之中，這表明我國的天基觀測已步入正軌。

地基觀測上新台階

作為國家重大科技基礎設施的子午工程，是一項旨在了解東半球120°E子午鏈上空間環境變化規律，逐步弄清其120°E子午鏈區域性環境特徵與全球環境變化間的關係，為研究與預測空間天氣變化提供地基觀測數據。它是世界上最長的子午台鏈觀測，跨越地球緯度範圍達130°，具有地域特色不可替代和多種國際先進觀測手段綜合性高的優勢。它的建成將為進一步推動我國空間天氣地基觀測實現跨越式發展奠定堅實基礎。

此外，我國在中高層大氣、電離層、極區和地磁等領域錘鍊了一批實驗、研究都非常優秀的學科帶頭人。在他們的帶領下分別建設了一批國家野外科學研究觀測站。

在作為空間天氣驅動源的太陽活動的觀測方面，我國早已建成國際先進的太陽磁場、射電等設備，並掌握了多種觀測手段。我國地基觀測上新台階為發展空間天氣建模和提升預報水平提供了重要的、不可替代的科學支撐。

基礎研究開始站在國際前沿

在空間物理研究方面，我國科學家取得了一批引起國際同行關注的成果，如太陽大氣磁天氣過程、太陽風中磁流體湍動本質、行星際擾動傳播、磁層能量傳輸與釋放、磁重聯過程、中高層大氣動力學過程的探測與研究、電離層的建模以及區域異常、地磁、電離層天氣預報方法以及極區光學觀測研究等，都開始站在國際研究前沿。這些研究先後獲國家自然科學獎二等獎5項、陳嘉庚地球科學獎1項、何梁何利獎4項、其他部委級獎勵多項，以及國際空間研究委員會（COSPAR）、歐洲空間局（ESA）、日地物理科學委員會（SCOSTEP）等多項國際重要獎勵。

此外，在國際一流學術刊物如《地球物理研究雜誌》等發表的論文數和影響也增長迅速。所有這些從一個側面反映出，我國空間天氣、空間物理基礎研究已具一定規模和影響。與此相聯繫的空間天氣建模與預報也有了長足的進步，特別是在我國神舟飛船系列的安全保障方面作出了突出貢獻。

隊伍建設欣欣向榮

我國新建設了一批有關空間天氣領域的單位，如中國科學院空間科學與應用研究中心的空間天氣學國家重點實驗室、中俄空間天氣聯合實驗室、中國科學院太陽活動重點實驗室、中國氣象局國家空間天氣監測與預警中心、北京大學空間天氣分析中心。還有一些單位也建立了空間天氣中心、研究與建模單元以及空間環境預報非法人單元等。一些高校，如山東大學威海分校、南京解放軍理工大學、湖南長沙工學院、大連海運學院、北京航空航天大學等也開始設立有關空間天氣、空間物理方面的專業。還有涉及航天、通信、導航、材料、生命、測繪、地震、地球天氣等諸多應用的交叉領域的研究單元也正在積極建設和發展之中。

我國在空間天氣的探測、研究、預報與效應分析等方面的隊伍初具規模，湧現了一批優秀的中青年學術帶頭人。他們活躍在有關空間天氣的國際、國內學術舞台和航天安全保障服務工作的第一線。據不完全統計，僅國家傑出青年基金獲得者、長江學者、百人計劃學者和特聘專家已達40餘位。以中國地球物理學會空間天氣專業委員會為例，30餘位主要學術帶頭人中，獲得國家傑出青年基金者就有18人，他們已是相關部委或國際學術組織的負責人。

學術活動富有成效

國家自然科學基金委員會的各級領導在我國科學家們倡導空間天氣學的第一時間就扶植和推進它的發展。自1997年5月召開第一次全國空間天氣學研討會後，基本上每兩年召開一次，已相繼召開了6次。2005年11月，基金委在澳門召開第一屆全球華人空間天氣科學大會，計劃每四年一次，大會計劃於2009年10月在南京召開第二屆全球華人空間天氣科學大會。

我國科學家出版的專著《空間天氣學》

中國已經出版《空間天氣學》專著，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。

與此同時，基金委組織編寫“空間天氣學十問答”（陸續發表在《科學時報》上）、《中國空間天氣戰略計劃建議》（2004年中國科學出版社出版）；組織空間天氣與人類活動調研宣講組，已先後在澳門、成都、珠海、合肥、鄭州、南京、青島、上海、北京等地進行科普宣講和調研活動。這些學術活動促進了我國空間天氣事業的發展，催生和推動了一些部門單位有關空間天氣專業乃至中心等的設立，使“空間天氣”這一術語開始成為人們關注的主題詞之一。

國際合作框架開始形成

以劉振興院士為首席科學家的地球空間雙星探測計劃與歐洲空間局的Cluster集簇衛星計劃是國際合作的一個典型例子。以塗傳詒院士為首提出的夸父空間天氣衛星探測計劃是多個空間局、多個國家共同制定的最優化科學目標，被納入國際與太陽同在計劃之中，是受到歐空局、加拿大空間局和美國宇航局代表們的熱情支持和國際空間界高度評價的衛星計劃，它正在廣泛的國際合作框架下向前推進。

此外，國際空間天氣子午圈計劃也在國家科技部、中國科學院等部委的關注下積極地向前推進。

全球華人空間天氣領域的交流、合作框架自澳門第一屆全球華人空間天氣科學大會以來，通過中科院海外創新團隊、國家基金委重大基金項目的實施和海峽兩岸空間科學會議等多種方式也正在逐步建立。

可以看到，空間天氣領域的國際合作框架正在開始形成，這為加速提升我國空間天氣科學的創新能力奠定了十分有利的國際合作基礎。