什么是“空間天氣學(xué)”?

　　千百年來，人們就知道，狂風(fēng)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(chǎn)活動(dòng)帶來災(zāi)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(dāng)太陽上高溫、高超音速的物質(zhì)噴發(fā)所形成的太陽風(fēng)暴吹過地球，有時(shí)會(huì)使衛(wèi)星失效、提前隕落、通信中斷、導(dǎo)航、跟蹤失誤、電力系統(tǒng)損壞以及人的健康與生命帶來嚴(yán)重危害，卻是近2-30年來才逐步認(rèn)識(shí)到的新事實(shí)。

　　我們現(xiàn)在知道，從太陽到地球這個(gè)日地空間環(huán)境與人類生存和發(fā)展息息相關(guān)。它由太陽大氣、行星際介質(zhì)、地球的磁層、電離層和中高層大氣所構(gòu)成。這個(gè)空間環(huán)境自1957年人造衛(wèi)星上天，人類的航天、通信、導(dǎo)航等從地表擴(kuò)展到成百、上千公里的空間，成為人類活動(dòng)的重要場所；它的高高度、高真空、微重力、強(qiáng)輻射、高電導(dǎo)率等獨(dú)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(dòng)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(fēng)暴對(duì)地球人類的直接轟擊，是人類生存的重要保護(hù)層。然而“水可載舟也可覆舟”，常常出現(xiàn)的惡劣空間天氣變化也給人類的高科技活動(dòng)帶來如前所述的嚴(yán)重危害。太陽活動(dòng)控制著它的喜怒哀樂。

　　什么是空間天氣學(xué)呢？它是專門研究和預(yù)報(bào)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(zāi)害性天氣變化規(guī)律，減輕或防止空間災(zāi)害，為人類活動(dòng)服務(wù)的學(xué)科（discipline）。用科學(xué)的術(shù)語來表述，它是一門正迅速發(fā)展的把日地物理科學(xué)與地面和空間技術(shù)的應(yīng)用緊密結(jié)合在一起的學(xué)科。它是一門多學(xué)科、多技術(shù)領(lǐng)域高度交叉綜合的跨世紀(jì)的新學(xué)科。下面就其產(chǎn)生背景、基本內(nèi)涵和人們的認(rèn)識(shí)作一簡要介紹。

　　科學(xué)背景

　　自1957年人造衛(wèi)星上天，開辟人類進(jìn)入空間時(shí)代新紀(jì)元以來，國際科聯(lián)相繼成立了空間研究委員會(huì)（COSPAR）和日地物理科學(xué)委員會(huì)（SCOSTEP），許多國家成立了國家級(jí)委員會(huì)。通過廣泛的國際合作，對(duì)地球大氣層之外的廣大空間，特別是對(duì)日地空間系統(tǒng)，發(fā)射了上百顆科學(xué)衛(wèi)星，建立了龐大的地面監(jiān)測系統(tǒng)，實(shí)施了一系列重大的國際合作計(jì)劃，如“日地物理計(jì)劃”（ISTP）和“日地能量計(jì)劃”（STEP）以及“地球環(huán)境模型”（GEM）等，知道太陽風(fēng)暴來源于太陽爆發(fā)活動(dòng)的物質(zhì)噴射，它的速度高達(dá)每秒數(shù)百公里至數(shù)千公里，它形成的太陽風(fēng)暴吹過地球時(shí)，將會(huì)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(xiàn)是它到地球的光學(xué)；地磁場發(fā)生稱之為地磁暴的突然擾動(dòng)；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(qiáng)事件等。這些現(xiàn)象都是相互有機(jī)聯(lián)系的短期突發(fā)性現(xiàn)象，必須把太陽大氣、行星際太陽風(fēng)、地球空間的磁層、電離層、中高層大氣作為一個(gè)有機(jī)耦合系統(tǒng)來加以探測和研究。當(dāng)今空間探測開始對(duì)日地空間環(huán)境進(jìn)行全球三維結(jié)構(gòu)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(gè)有機(jī)系統(tǒng)，定量了解其間的因果關(guān)系，空間災(zāi)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(xué)（Hard science）。科學(xué)上40余年的集累為空間天氣學(xué)的產(chǎn)生奠定了必備的科學(xué)基礎(chǔ)；

　　社會(huì)需求

　　隨著人類進(jìn)入二十一世紀(jì)高科技時(shí)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(zāi)害。自1989年3月發(fā)生特大的空間災(zāi)害性事件以來，幾乎每年都要發(fā)生重大的空間災(zāi)害。美國每年來自空間天氣造成的損失都以數(shù)千萬美元計(jì)（美國國家空間天氣戰(zhàn)略計(jì)劃，1995），更不用說多顆通訊衛(wèi)星的失效、甚至整個(gè)衛(wèi)星的隕落。我國風(fēng)云一號(hào)氣象衛(wèi)星（1990年11月）、亞太2號(hào)通訊衛(wèi)星（1995年8月）等的失敗都因惡劣空間天氣所致。據(jù)美國和中國航天部門統(tǒng)計(jì)，衛(wèi)星故障大約40%與空間天氣條件有關(guān)。

　　正是由于人類社會(huì)面臨發(fā)展高科技的巨大需求，加之科學(xué)基礎(chǔ)的基本具備，二者之結(jié)合，空間天氣學(xué)尤如旭日東升，其發(fā)展之勢必將磅礴于世。當(dāng)今，除美國領(lǐng)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(jì)劃，空間天氣的研究已成為全球科技活動(dòng)熱點(diǎn)之一。

　　基本內(nèi)涵

　　空間天氣學(xué)是空間天氣（狀態(tài)或事件）的監(jiān)測、研究、建模、預(yù)報(bào)、效應(yīng)、信息的傳輸與處理、對(duì)人類活動(dòng)的影響以及空間天氣的開發(fā)利用和服務(wù)等方面的集成，是多種學(xué)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(xué)、數(shù)值計(jì)算、圖像處理等）與多種技術(shù)（信息技術(shù)、計(jì)算機(jī)技術(shù)、各種探測技術(shù)和成像技術(shù)、空間和地面技術(shù)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(xué)的基本科學(xué)目標(biāo)，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(gè)有機(jī)系統(tǒng)，按空間災(zāi)害性天氣事件過程的時(shí)序因果鏈關(guān)系配置空間、地面的監(jiān)測體系，了解空間災(zāi)害性天氣過程的變化規(guī)律。當(dāng)前開展的主要科學(xué)課題涉及：太陽活動(dòng)過程和物質(zhì)輸出結(jié)構(gòu)研究；太陽風(fēng)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(zāi)害性天氣過程的因果鏈模式等方面。這些都是空間科學(xué)中面臨巨大挑戰(zhàn)的難題。

　　空間天氣學(xué)的應(yīng)用目標(biāo)，就是減輕和避免空間災(zāi)害性天氣對(duì)高科技技術(shù)系統(tǒng)所造成的昂貴損失，為航天、通信、導(dǎo)航、資源、電力、生態(tài)、醫(yī)學(xué)、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(shí)變的環(huán)境模式；為重要空間和地面活動(dòng)提供空間天氣預(yù)報(bào)、效應(yīng)預(yù)測和決策依據(jù)；為效應(yīng)分折和防護(hù)措施提供依據(jù)；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(guān)空間政策的制定，等等。

　　認(rèn)識(shí)過程

　　國際上，空間天氣（Space Weather）一詞大約于70年代的科學(xué)文獻(xiàn)中作為一種對(duì)未來科學(xué)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(jì)劃”，定義空間天氣系指太陽上和太陽風(fēng)、磁層、電離層和熱層中影響空間、地面技術(shù)系統(tǒng)的運(yùn)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(jiǎng)獲得者、英國科學(xué)家T.Hewish教授曾寫道：看來當(dāng)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(huì)1996年7月14-21日第35屆COSPAR會(huì)上 D.N.Baker等科學(xué)家指出它的多學(xué)科性質(zhì)，空間研究中偏應(yīng)用的研究領(lǐng)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(wǎng)上介紹（http://www.SpaceWeather.com）：空間天氣是一門相對(duì)新的科學(xué)領(lǐng)域；美國空間天氣工作組主席H.Koskinen: 在國際日地物理委員會(huì)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(xué)與地面和空間技術(shù)應(yīng)用緊密結(jié)合（Tying）在一起的學(xué)科（discipline）。

　　在我國，90年代初我國科學(xué)家們便指出“空間天氣學(xué)的時(shí)代已經(jīng)來臨”，“已提到議事日程”（自然科學(xué)學(xué)科發(fā)展戰(zhàn)略調(diào)研報(bào)告——空間物理，91年初稿科學(xué)出版社1996年）、“空間天氣學(xué)”作為一門新興的系統(tǒng)科學(xué)，必將在人類跨世紀(jì)的步伐中應(yīng)運(yùn)而生（地球科學(xué)進(jìn)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(xué)工程建議書中（1994年初提出）提出“為在二十一世紀(jì)初建立和發(fā)展《空間天氣學(xué)》作出重要的國際貢獻(xiàn)”；“九五”國家基金委重大項(xiàng)目建議書（1995.7.7）:“空間科學(xué)正進(jìn)入一個(gè)科學(xué)與應(yīng)用緊密結(jié)合的《空間天氣學(xué)》新時(shí)期，它是多學(xué)科的前沿交叉領(lǐng)域”?！盀?zāi)害性擾動(dòng)過程研究將帶動(dòng)我國日地物理向《空間天氣學(xué)》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(xué)》研討會(huì)，號(hào)召大家為推動(dòng)《空間天氣學(xué)》的迅速發(fā)展起好先驅(qū)作用，并呼吁盡快制定“我國的空間天氣戰(zhàn)略計(jì)劃”。

　　可以看到，我國和西方科學(xué)家明確指出Space Weather是一門學(xué)科，大體是在同一時(shí)期。今天人們對(duì)空間天氣學(xué)的認(rèn)識(shí)正經(jīng)歷一個(gè)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(xué)，建立能獨(dú)立自主對(duì)空間天氣變化進(jìn)行監(jiān)測、研究與預(yù)報(bào)的體系，既是對(duì)自然界的挑戰(zhàn)，更關(guān)系到增強(qiáng)國家綜合實(shí)力，它是一門具有重要基礎(chǔ)性、戰(zhàn)略性和前瞻性的跨世紀(jì)新學(xué)科。讓我們勇作空間天氣學(xué)的先驅(qū)者！ （魏奉思 中國科學(xué)院院士）