什么是“空間天氣學”?

　　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(fā)所形成的太陽風暴吹過地球，有時會使衛(wèi)星失效、提前隕落、通信中斷、導航、跟蹤失誤、電力系統(tǒng)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(huán)境與人類生存和發(fā)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(huán)境自1957年人造衛(wèi)星上天，人類的航天、通信、導航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(huán)境條件既為人類發(fā)展提供豐富的資源，又為航天、通信、資源探測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。

　　什么是空間天氣學呢？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(huán)境中的災害性天氣變化規(guī)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(fā)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(wèi)星上天，開辟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(tǒng)，發(fā)射了上百顆科學衛(wèi)星，建立了龐大的地面監(jiān)測系統(tǒng)，實施了一系列重大的國際合作計劃，如“日地物理計劃”（ISTP）和“日地能量計劃”（STEP）以及“地球環(huán)境模型”（GEM）等，知道太陽風暴來源于太陽爆發(fā)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(huán)境急劇的變化，地球二極高緯地區(qū)絢麗多姿極光的出現是它到地球的光學；地磁場發(fā)生稱之為地磁暴的突然擾動；電離層通訊條件發(fā)生稱之為電離層暴的惡劣變化；衛(wèi)星軌道的大氣加熱，密度增加，發(fā)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系的短期突發(fā)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(tǒng)來加以探測和研究。當今空間探測開始對日地空間環(huán)境進行全球三維結構和過程的探測；變化規(guī)律研究開始把日地空間環(huán)境作為一個有機系統(tǒng)，定量了解其間的因果關系，空間災害性事件研究開始從定性階段向定量階段發(fā)展?？臻g物理開始變成一門“硬”科學（Hard science）?？茖W上40余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(huán)境中惡劣的天氣條件常常給空間和地面的高科技系統(tǒng)，造成空間災害。自1989年3月發(fā)生特大的空間災害性事件以來，幾乎每年都要發(fā)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(zhàn)略計劃，1995），更不用說多顆通訊衛(wèi)星的失效、甚至整個衛(wèi)星的隕落。我國風云一號氣象衛(wèi)星（1990年11月）、亞太2號通訊衛(wèi)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(tǒng)計，衛(wèi)星故障大約40%與空間天氣條件有關。

　　正是由于人類社會面臨發(fā)展高科技的巨大需求，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升，其發(fā)展之勢必將磅礴于世。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、意大利、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(chuàng)新）計劃，空間天氣的研究已成為全球科技活動熱點之一。

　　基本內涵

　　空間天氣學是空間天氣（狀態(tài)或事件）的監(jiān)測、研究、建模、預報、效應、信息的傳輸與處理、對人類活動的影響以及空間天氣的開發(fā)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（信息技術、計算機技術、各種探測技術和成像技術、空間和地面技術系統(tǒng)與環(huán)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(tǒng)，按空間災害性天氣事件過程的時序因果鏈關系配置空間、地面的監(jiān)測體系，了解空間災害性天氣過程的變化規(guī)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(tǒng)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(zhàn)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(tǒng)所造成的昂貴損失，為航天、通信、導航、資源、電力、生態(tài)、醫(yī)學、科研、宇航安全和國防等部門提供區(qū)域性和全球性的背景與時變的環(huán)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(fā)、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（Space Weather）一詞大約于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(fā)表了“美國國家空間天氣戰(zhàn)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(tǒng)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“Space Weather”；美國宇航局專門成立了空間天氣處（NASA Space Weather Bureau）,并在網上介紹（http://www.SpaceWeather.com）：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 News letter (Vol.2,No.1,Maceh,1999)上寫到：Space Weather是一門正迅速發(fā)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(fā)展戰(zhàn)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(tǒng)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(fā)展《空間天氣學》作出重要的國際貢獻”；“九五”國家基金委重大項目建議書（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”?！盀暮π詳_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(fā)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(fā)展起好先驅作用，并呼吁盡快制定“我國的空間天氣戰(zhàn)略計劃”。

　　可以看到，我國和西方科學家明確指出Space Weather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(fā)展和不斷豐富的過程。顯然，發(fā)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(jiān)測、研究與預報的體系，既是對自然界的挑戰(zhàn)，更關系到增強國家綜合實力，它是一門具有重要基礎性、戰(zhàn)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！ （魏奉思 中國科學院院士）