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空间天气学

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简介编辑本段回目录

空间天气的起源空间天气的起源:地球偶极磁场暴露在太阳风中(上)。CME从日面抛出的等离子体形成膨胀着的U形气泡状,其内部冻结着磁场(下图)。图片来源:ESA/NASA

空间天气是一个全新的概念,太阳上出现的耀斑和日面物质的抛射等剧烈活动,给地球磁层,电离层和中高层大气,卫星运行和安全,以及人类健康,带来严重影响和危害,人们把这种由太阳活动引起的短时间尺度的变化,称之为空间天气。

相对于地面天气而言,空间天气发生在距离地面30公里以上。空间天气涉及的物理参数与大气天气有很大不同。

空间天气学是空间天气(状态或事件)的监测研究建模预报效应信息传输处理、对人类活动的影响以及空间天气的开发利用和服务等方面的集成,是多种学科(太阳物理空间物理等)与多种技术(信息技术、计算机技术等)的高度综合与交叉。

空间天气学的基本科学目标是把太阳大气、行星际和地球的磁层、电离层和中高层大气作为一个有机系统,按空间灾害性天气事件过程的时序因果链关系配置空间、地面的监测体系,了解空间灾害性天气过程的变化规律[1]

空间天气学的应用目标是减轻和避免空间灾害性天气对高科技技术系统所造成的昂贵损失,为航天、通信、国防等部门提供区域性和全球性的背景与时变的环境模式;为重要空间和地面活动提供空间天气预报、效应预测和决策依据;为效应分析和防护措施提供依据;为空间资源的开发、利用和人工控制空间天气探索可能途径,以及有关空间政策的制定等。

显然,发展和建立空间天气学,建立能独立自主对空间天气变化进行监测、研究与预报的体系,既是对自然界的挑战,更关系到增加国家综合实力,是一门具有重要基础性、战略性和前瞻性的跨世纪新学科。

学科现状编辑本段回目录

太阳极大期——骚乱而又狂暴的太阳活动异常时期太阳极大期——骚乱而又狂暴的太阳活动异常时期

当前,人类科技发展和社会生活越来越依赖以航天技术为代表的高技术。恰恰是这些高技术,受空间天气变化的直接影响。因此,空间天气学是为适应人类高科技发展而诞生的,其研究对象是空间天气发生、发展和变化规律以及如何运用这些规律来进行空间天气预报,同时,空间天气学还研究各种空间天气效应以及避免和减轻空间天气灾害的方法和途径。具体来说,空间天气学研究太阳爆发性活动的规律,这些爆发性活动从太阳表面传播到地球过程中是怎样演变的;磁暴和突发式电离层骚扰发生的规律及其对高技术系统的效应;高能带电粒子暴出现的规律及其对航天器安全的影响;人工局部改变空间天气的方法以及对军事活动的影响等。

空间天气学研究起步晚,但发展快。国际上,空间天气(Space Weather)一词大约于20世纪70年代的科学文献中作为一种对未来科学的“畅想”而提出。美国1994年11月正式发表了“美国国家空间天气战略计划”,定义空间天气系指太阳上和太阳风、磁层、电离层和热层中影响空间、地面技术系统的运行和可靠性及危害人类健康和生命的条件。

短短的几年,空间天气学的研究、作用和影响,超过了人们的预料。概括来说,当前空间天气学研究具有以下特点:[3]

1、从部门行为发展为国家或区域性行为,美国俄罗斯等国及欧洲空间局(ESA)都已制定并实施空间天气学研究战略规划;包括我国在内,许多国家都定期召开空间天气学研讨会。

2、从以研究为主的阶段逐渐向应用和服务阶段转化,从描述向预报转变,从定性向定量转变;目前,已经建立并逐渐完善了各种空间天气模式,范围从空间天气的源———太阳、太阳风,一直到电离层和热层。

3、空间天气学已经纳入大学的教学内容。在我国,北京大学于1998年率先在我国高校中开设了空间天气学课程,我国第一本空间天气学专著已经正式出版发行。

4、发射了一些新的空间天气探测卫星,这些卫星都采用了许多新技术,因而取得了一些新成果,使人们“看到”了用肉眼不能看见的空间天气的状况。

5、对空间天气效应的研究越来越引起人们的重视,研究成果在工程设计中的地位加强,效应计算软件、设计标准规范等不断问世。   

6、预报进入实施并广泛发布阶段,美国、澳大利亚和ESA等国家和区域组织均已通过Internet网发布预报。

空间天气效应编辑本段回目录

航天器表面充电
太阳高能粒子,日冕物质抛射或由太阳耀斑加速,也是对空间天气的重要驱动力,因为它们可以破坏航天器电子设备,并威胁到宇航员的生命。太阳高能粒子,日冕物质抛射或由太阳耀斑加速,也是对空间天气的重要驱动力,因为它们可以破坏航天器电子设备,并威胁到宇航员的生命。

航天器暴露的外表面上的电荷积累称为航天器表面充电。表面充电包括绝对充电和不等量充电两种类型。 如果航天器表面全都是金属,整个飞船将充电到相同的电位,这个过程称为绝对充电。绝对充电只是瞬时才能实现,特征周期是毫秒的量级。如果航天器表面使用电介质材料,表面不同部位可能具有不同的电位,这个过程称不等量充电。不等量充电具有秒到分钟的时间尺度。介电材料是积累电荷的不良分布者,因此将存贮在它们中的电荷保持在某一部分。充电粒子通量的变化使得这些表面达到不同的浮动电位。航天器受日照的表面和处于阴影的表面,是不等量充电的典型情况。在两个表面浮动电位差的进一步发展,将引起它们之间电场的发展。不等量充电可能产生强的电场并影响航天器绝对充电的水平。从异常效应的观点来看,不等量充电比绝对充电效应更大,因为它可导致表面弧光放电或航天器不同电位表面之间的静电放电(ESD)。这种弧光放电或火花放电直接引起航天器部件的损坏和在电子部件中产生严重的干扰脉冲。在同步轨道,航天器异常基本上是由不等量充电引起的。

航天器表面电位随空间等离子体的状态变化。在亚暴期间,高密度、低能量的等离子体被能量为1~50keV的低密度等离子体云取代。这种情况可使航天器介电表面充电到很高电位,甚至发生静电放电击穿现象。

航天器内部充电

航天器内部充电是由能量范围为0.1到10 MeV的高能电子引起的,它们穿透航天器的屏蔽层,沉积在电介质内。当电荷的积累率高于电荷的泄漏率时,这些电荷产生的电场有可能超过介质的击穿阈值,产生静电放电,从而造成航天器某些部件的损坏,最终导致航天器完全失效,带来严重的经济损失和社会影响。例如,1998年5月19日,美国“Galaxy-4”通讯卫星失效,使美国80%的寻呼机关闭,同时关闭的还有有线电视和广播传播、信用卡授权网络和公司通信系统。为了恢复卫星服务,不得不移动多颗卫星,并且不得不对数以千计的地面天线进行手工重新定位。类似事件已经发生许多起。据美国地球物理中心数据库提供的资料,从1989年3月7日至31日的46例卫星异常,大部分诊断为ESD。由此可见,高能电子引起的ESD对卫星构成了严重的威胁。正因如此,高能电子被称为卫星的“杀手”。

航天器中的单粒子事件

当高能重离子或质子打到电子学部件的芯片上时,在芯片的P-N结上产生的电荷使逻辑电路发生非正常电位翻转、锁定或击穿,这种现象称为单粒子事件。发生单粒子事件的概率与高能质子通量有密切关系。如果偶然发生单粒子事件,可以通过编码校正装置纠正,但频繁发生的单粒子事件,可导致航天器失效。

辐射效应

材料因辐射使分子结构产生缺陷,受到伤害,这种效应称为辐射损伤。辐射损伤主要是通过以下两个作用方式:一是电离作用,另一种是原子的位移作用,是由停留在物质中的相对低能量的原子粒子引起的。这些停止的粒子将硅原子撞出适当的晶格位置,使晶格结构产生缺陷,增加装置的电阻。这个问题对太阳能电池特别重要。因为随着位移损害的积累,电阻逐渐增加,输出功率将减少。

高能质子和重离子即能产生电离作用,又能产生位移作用。这些作用导致航天器上的各种材料、电子器件等的性质变差,严重时会损坏。如玻璃材料在严重辐照后会变黑、变暗;胶卷变得模糊不清;太阳电池输出降低;各种半导体器件性能衰退,甚至完全损坏。

总损害效应是各种辐射长期积累的总效应。总辐射损害通常限制了飞船电子部件的寿命。固体部件的电子学性质因暴露在辐射环境中而改变。由于损害的积累,这些变化使得部件的参数偏离电路正常工作的设计值。

高能电磁辐射或粒子辐射穿入人体细胞,使组成细胞的分子电离,可毁坏细胞的正常功能。对细胞最严重的危害是当DNA受到损伤时。DNA是细胞的心脏,包含所有产生新细胞的结构。对DNA的辐射损伤有两种主要形式:一种是间接方式,当人体中的水分子吸收了大部分辐射而电离时,形成了具有高度活性的自由基,这些自由基可损坏DNA分子。另一种是直接方式,辐射与DNA分子碰撞,使其电离或直接损坏。

辐射病的症状包括严重灼伤、不能生育、肿瘤和其它组织的损伤。严重损伤可导致快速(几天或几周)死亡。DNA的变异可遗传给后代。[2]

空间天气灾害编辑本段回目录

美探测器拍摄到的太阳风暴爆发照片美探测器拍摄到的太阳风暴爆发照片

相对于地面天气而言,空间天气发生在距地30公里以外。空间天气涉及的物理参数与日常所说的天气有很大不同。空间天气关心的“风”是太阳风,“雨”是来自太阳的带电粒子雨;空间天气没有阴晴之分,但有太阳和地磁场的“平静”与“扰动”之别,空间天气不太关心“冷暖”,而特别注意太阳的紫外线X射线辐射的变化。

太阳是距我们最近的一颗恒星,它的光芒惠泽了地球上的万事万物。除了阳光以外,太阳还每时每刻往外喷射着高速带电粒子流,人们形象地称之为“太阳风”。当太阳风十分强劲时,产生名副其实的“太阳风暴”。当太阳风暴袭击地球时,我们幸亏有地球磁场作为天然盾牌,才得以安然无恙。然而,地球磁场本身在为我们承受“打击”时,产生激烈的扰动——磁暴。磁暴会在人类的供电网中诱发强大冲击电流,进而造成输电网络崩溃。

太阳峰年期间,太阳风暴的强烈影响非常显著,引起空间环境发生灾害性变化,给人类活动带来巨大损失。1989年3月13日至14日,太阳风暴造成加拿大魁北克地区电网停电,600万人遭受停电之苦,挨冻一天。同时造成全球无线电通信中断,轮船、飞机的导航系统失灵,卫星受损减寿而提前陨落。这是历史上罕见的空间灾害性天气事件,引起国际社会的震惊。人们越来越感到太阳有其“不友善”的一面,太阳如何影响地球(即日地联系)及空间天气的变化状况日益受到关注。

航天技术为代表的高技术,受空间天气变化的直接影响。在航天领域,卫星故障40%来自空间天气;在国民经济领域,空间天气变化导致磁场强烈变化,从而引起的感应电流,会破坏电力系统的变压器造成停电,腐蚀输油管造成泄漏;在自然灾害领域,地球上的洪、涝、干旱、平均气温变化、臭氧含量的减少等自然灾害,以及影响人类健康的心脑血管疾病、皮肤癌和社会突发事件与空间天气的关系,也正成为众多科学家关注的热点。[3]

中国的空间天气科学编辑本段回目录

空间天气学国家重点实验室主任王赤空间天气学国家重点实验室主任王赤

20世纪90年代,中国经济实力明显增强,飞船回收、神舟遨游太空、载人航天、导航卫星和嫦娥绕月工程等的成功,吹响了我国从航天大国向航天强国迈进的号角。与此同时,有关空间天气的探索、研究与预报工作也进入了快速发展期。

过去10年我国空间天气科学无论是在天基、地基的探测能力、研究水平与规模、建模与预报的开展、研究机构和队伍建设以及国际合作诸多方面,都取得了长足的进展。这为我国在今后10年实现第二次保障能力的跨越发展,跨进到美国之后的法、英、德、日、俄、加等先进国家之列,创造了“天时、地利、人和”的最佳历史机遇。我国空间天气事业从艰难起步水平跃进到二流国家前列、紧逼先进国家之后的水平,实现了第一次起步的跨越发展。[4]

天基观测走上轨道

随着人们对空间环境认知水平的提升,除了已有实践序列卫星和各类搭载卫星对空间环境进行监测外,开始有了关注空间天气基本物理过程和变化规律方面的科学卫星。地球空间双星探测计划(2003-12~2004-7)成功发射,它和欧空局的Cluster飞船形成六点星座来探测地球磁层空间的多尺度结构,这是我国真正意义上的第一颗科学卫星。双星被评为2004年度中国/世界十大科学进展新闻。双星首席科学家刘振兴院士被评为2004年度中国十大创新英才;我国以涂传诒院士为首的一批空间物理学家和以张永维总工为代表的航天工程师们,瞄准日地空间系统中空间天气的全球整体行为研究这一重大科学前沿,在基金委地球科学部重点基金项目的资助下适时提出夸父空间天气探测卫星计划,并获准为航天领域的背景项目。该计划由位于日地引力平衡处的拉格朗日点L1的A星——对太阳活动和行星际天气进行24小时全天候监测,以及对地球两极极光进行共轭观测的B星组成。夸父计划作为专题列入国际空间研究委员会(COSPAR)36届年会和西太平洋地球物理年会(WPGM),受到国内外专家的好评。

2006年8月4日,美国Science杂志(Vol. 313,607)的《新闻焦点》栏目报道了美国新的通信导航预测卫星计划和中国的夸父计划。文中说:中国正推进一个称为夸父的太阳观测计划,预计在2012年发射探测卫星。它将在很高的精度上追踪太阳爆发和地磁暴。该计划有许多首创,如果顺利实施,它将发挥出至关重要的作用。

此外,我国正在积极推进的太阳空间望远镜和太阳爆发小卫星等天基观测计划,也将对我国空间天气科学发展作出重要贡献。后续的一些卫星计划,如磁层、电离层和热层耦合卫星计划(MIT)与由应用驱动的空间天气系列卫星计划也正在提出和推动之中,这表明我国的天基观测已步入正轨。

地基观测上新台阶

作为国家重大科技基础设施的子午工程,是一项旨在了解东半球120°E子午链上空间环境变化规律,逐步弄清其120°E子午链区域性环境特征与全球环境变化间的关系,为研究与预测空间天气变化提供地基观测数据。它是世界上最长的子午台链观测,跨越地球纬度范围达130°,具有地域特色不可替代和多种国际先进观测手段综合性高的优势。它的建成将为进一步推动我国空间天气地基观测实现跨越式发展奠定坚实基础。

此外,我国在中高层大气、电离层、极区和地磁等领域锤炼了一批实验、研究都非常优秀的学科带头人。在他们的带领下分别建设了一批国家野外科学研究观测站。

在作为空间天气驱动源的太阳活动的观测方面,我国早已建成国际先进的太阳磁场、射电等设备,并掌握了多种观测手段。我国地基观测上新台阶为发展空间天气建模和提升预报水平提供了重要的、不可替代的科学支撑。

基础研究开始站在国际前沿
2003年10月空间天气灾害后果示例2003年10月空间天气灾害后果示例

空间物理研究方面,我国科学家取得了一批引起国际同行关注的成果,如太阳大气磁天气过程、太阳风中磁流体湍动本质、行星际扰动传播、磁层能量传输与释放、磁重联过程、中高层大气动力学过程的探测与研究、电离层的建模以及区域异常、地磁、电离层天气预报方法以及极区光学观测研究等,都开始站在国际研究前沿。这些研究先后获国家自然科学奖二等奖5项、陈嘉庚地球科学奖1项、何梁何利奖4项、其他部委级奖励多项,以及国际空间研究委员会(COSPAR)、欧洲空间局(ESA)、日地物理科学委员会(SCOSTEP)等多项国际重要奖励。

此外,在国际一流学术刊物如《地球物理研究杂志》等发表的论文数和影响也增长迅速。所有这些从一个侧面反映出,我国空间天气、空间物理基础研究已具一定规模和影响。与此相联系的空间天气建模与预报也有了长足的进步,特别是在我国神舟飞船系列的安全保障方面作出了突出贡献。

队伍建设欣欣向荣

我国新建设了一批有关空间天气领域的单位,如中国科学院空间科学与应用研究中心的空间天气学国家重点实验室、中俄空间天气联合实验室、中国科学院太阳活动重点实验室、中国气象局国家空间天气监测与预警中心、北京大学空间天气分析中心。还有一些单位也建立了空间天气中心、研究与建模单元以及空间环境预报非法人单元等。一些高校,如山东大学威海分校、南京解放军理工大学湖南长沙工学院大连海运学院北京航空航天大学等也开始设立有关空间天气、空间物理方面的专业。还有涉及航天、通信、导航、材料、生命、测绘、地震、地球天气等诸多应用的交叉领域的研究单元也正在积极建设和发展之中。

我国在空间天气的探测、研究、预报与效应分析等方面的队伍初具规模,涌现了一批优秀的中青年学术带头人。他们活跃在有关空间天气的国际、国内学术舞台和航天安全保障服务工作的第一线。据不完全统计,仅国家杰出青年基金获得者、长江学者百人计划学者和特聘专家已达40余位。以中国地球物理学会空间天气专业委员会为例,30余位主要学术带头人中,获得国家杰出青年基金者就有18人,他们已是相关部委或国际学术组织的负责人。

学术活动富有成效

国家自然科学基金委员会的各级领导在我国科学家们倡导空间天气学的第一时间就扶植和推进它的发展。自1997年5月召开第一次全国空间天气学研讨会后,基本上每两年召开一次,已相继召开了6次。2005年11月,基金委在澳门召开第一届全球华人空间天气科学大会,计划每四年一次,大会计划于2009年10月在南京召开第二届全球华人空间天气科学大会。

我国科学家出版的专著《空间天气学》我国科学家出版的专著《空间天气学》

与此同时,基金委组织编写“空间天气学十问答”(陆续发表在《科学时报》上)、《中国空间天气战略计划建议》(2004年中国科学出版社出版);组织空间天气与人类活动调研宣讲组,已先后在澳门、成都、珠海、合肥、郑州、南京、青岛、上海、北京等地进行科普宣讲和调研活动。这些学术活动促进了我国空间天气事业的发展,催生和推动了一些部门单位有关空间天气专业乃至中心等的设立,使“空间天气”这一术语开始成为人们关注的主题词之一。

国际合作框架开始形成

以刘振兴院士为首席科学家的地球空间双星探测计划与欧洲空间局的Cluster集簇卫星计划是国际合作的一个典型例子。以涂传诒院士为首提出的夸父空间天气卫星探测计划是多个空间局、多个国家共同制定的最优化科学目标,被纳入国际与太阳同在计划之中,是受到欧空局、加拿大空间局和美国宇航局代表们的热情支持和国际空间界高度评价的卫星计划,它正在广泛的国际合作框架下向前推进。

此外,国际空间天气子午圈计划也在国家科技部、中国科学院等部委的关注下积极地向前推进。

全球华人空间天气领域的交流、合作框架自澳门第一届全球华人空间天气科学大会以来,通过中科院海外创新团队、国家基金委重大基金项目的实施和海峡两岸空间科学会议等多种方式也正在逐步建立。

可以看到,空间天气领域的国际合作框架正在开始形成,这为加速提升我国空间天气科学的创新能力奠定了十分有利的国际合作基础。

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