空间天气学十问答

空间天气学十问答
一、 什么是空间天气学？（魏奉思中科院空间中心）
二、 空间灾害性天气对人类航天活动有什么影响？（赵华中科院空
间中心、朱文明航天工业总公司501部）
三、 空间灾害性天气对人类通信、导航活动有什么影响？（郭兼善
中科院空间中心、吴健信息产业部22所）
四、 空间灾害性天气对人类地面技术系统（电力、输油（气）和资
源等）和生态环境有什么影响？（汤克云中科院地质地球物理所、焦维新北京大学）
五、 空间天气学的基本问题是什么？（魏奉思中科院空间中心）
六、 如何监测空间天气的变化？（焦维新北京大学、王家龙北京
天文台、万卫星武汉物理与数学所、徐寄遥中科院空间中心）七、 空间灾害性天气变化是如何发生的？（肖佐北京大学、王家龙
北京天文台
八、 目前关于空间灾害性天气变化的预报能力如何？（王家龙北京
天文台、高玉芬国家地震局地球所）
九、 国际空间天气研究的态势如何？（冯学尚中科院空间中心、张
贵银总参大气所）
十、 我国在推动空间天气学方面正在作出哪些努力？（于晟国家基
金委地学部、朱志文国家基金委地学部）
资料：重要的空间灾害性天气事件简介（冯学尚中科院空间中心）
一、什么是《空间天气学》?
魏奉思
中国科学院空间科学与应用研究中心，空间天气研究实验室
千百年来，人们就知道，狂风暴雨、电闪雷鸣、洪涝、水旱，地球上这些恶劣的天气变化给人们的衣、食、住、行和生产活动带来灾难。

地球20-30公里以上的高空，甚至千万公里的空间（或称太空），也存在恶劣的空间天气变化。

例如，当太阳上高温、高超音速的物质喷发所形成的太阳风暴吹过地球，有时会使卫星失效、提前陨落、通信中断、导航、跟踪失误、电力系统损坏以及人的健康与生命带来严重危害，却是近2-30年来才逐步认识到的新事实。

我们现在知道，从太阳到地球这个日地空间环境与人类生存和发展息息相关。

它由太阳大气、行星际介质、地球的磁层、电离层和中高层大气所构成。

这个空间环境自1957年人造卫星上天，人类的航天、通信、导航以及军事活动等从地表扩展到成百、上千公里的空间，成为人类活动的重要场所；它的高高度、高真空、微重力、强辐射、高电导率等独特的环境条件既为人类发展提供丰富的资源，又为航天、通信、资源探测、军事等活动提供地面不可能有的便利；它阻止和吸收来自太阳的X射线、紫外线、高能带电粒子以及超音速的太阳风暴对地球人类的直接轰击，是人类生存的重要保护层。

然而“水可载舟也可覆舟”，常常出现的恶劣空间天气变化也给人类的高科技活动带来如前所述的严重危害。

太阳活动控制着它的喜怒哀乐。

什么是空间天气学呢？它是专门研究和预报从地球20-30公里之上直到太阳这一日地空间环境中的灾害性天气变化规律，减轻或防止空间灾害，为人类活动服务的学科（discipline）。

用科学的术语来表述，它是一门正迅速发展的把日地物理科学与地面和空间技术的应用紧密结合在一起的学科。

它是一门多学科、多技术领域高度交叉综合的跨世纪的新学科。

下面就其产生背景、基本内涵和人们的认识作一简要介绍。

科学背景
自1957年人造卫星上天，开辟人类进入空间时代新纪元以来，国际科联相继成立了空间研究委员会（COSPAR）和日地物理科学委员会（SCOSTEP），许多国家成立了国家级委员会。

通过广泛的国际合作，对地球大气层之外的广大空间，特别是对日地空间系统，发射了上百颗科学卫星，建立了庞大的地面监测
系统，实施了一系列重大的国际合作计划，如“日地物理计划”（ISTP）和“日地能量计划”（STEP）以及“地球环境模型”（GEM）等，知道太阳风暴来源于太阳爆发活动的物质喷射，它的速度高达每秒数百公里至数千公里，它形成的太阳风暴吹过地球时，将会引起地球空间环境急剧的变化，地球二极高纬地区绚丽多姿极光的出现是它到地球的光学；地磁场发生称之为地磁暴的突然扰动；电离层通讯条件发生称之为电离层暴的恶劣变化；卫星轨道的大气加热，密度增加，发生所谓热层暴以及高能量电子的通量突然增强事件等。

这些现象都是相互有机联系的短期突发性现象，必须把太阳大气、行星际太阳风、地球空间的磁层、电离层、中高层大气作为一个有机耦合系统来加以探测和研究。

当今空间探测开始对日地空间环境进行全球三维结构和过程的探测；变化规律研究开始把日地空间环境作为一个有机系统，定量了解其间的因果关系，空间灾害性事件研究开始从定性阶段向定量阶段发展。

空间物理开始变成一门“硬”科学（Hard science）。

科学上40余年的集累为空间天气学的产生奠定了必备的科学基础；
社会需求
随着人类进入二十一世纪高科技时代，日地空间环境中恶劣的天气条件常常给空间和地面的高科技系统，造成空间灾害。

自1989年3月发生特大的空间灾害性事件以来，几乎每年都要发生重大的空间灾害。

美国每年来自空间天气造成的损失都以数千万美元计（美国国家空间天气战略计划，1995），更不用说多颗通讯卫星的失效、甚至整个卫星的陨落。

我国风云一号气象卫星（1990年11月）、亚太2号通讯卫星（1995年8月）等的失败都因恶劣空间天气所致。

据美国和中国航天部门统计，卫星故障大约40%与空间天气条件有关。

人类进入高科技时代，许多军事系统和精密打击武器进入空间，空间成为重要的作战空间和保障条件，尤如从科索沃战争和海湾战争所看到的，局部战争也变成高科技战争。

显然，减轻或避免空间灾害带来的巨大损失，以及增强国家安全，所有这些来自社会发展的紧迫需求正是产生空间天气学的强大驱动力。

正是由于人类社会面临发展高科技的巨大需求（包括军事的需求在内），加之科学基础的基本具备，二者之结合，空间天气学尤如旭日东升，其发展之势必将磅礴于世。

当今，除美国领头之外，欧洲空间局、德国、法国、英国、俄罗斯、瑞典、挪威、丹麦、土耳其、意大利、捷克、澳大利亚、西班牙、加拿大、日本等国都相继制定了空间天气起步（创新）计划，空间天气的研究已成为全球科技活动热点之一。

基本内函
《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、信息的传输与处理、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、地球物理、大气物理、宇宙线物理、空间等离子体物理、磁流体力学、数值计算、图像处理等）与多种技术（信息技术、计算机技术、各种探测技术和成像技术、空间和地面技术系统与环境相互作用等）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。

当前开展的主要科学课题涉及：太阳活动过程和物质输出结构研究；太阳风暴的形成、演化以及和地球的相互作用；地球空间系统的空间灾害性天气过程的因果链模式等方面。

这些都是空间科学中面临巨大挑战的难题。

空间天气学的应用目标，就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、导航、资源、电力、生态、医学、科研、宇航安全和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；为效应分折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，等等。

认识过程
国际上，空间天气（Space Weather）一词大约于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94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（Conditions）；诺贝尔物理奖获得者、英国科学家T.Hewish教授曾写道：看来当今日益增长的兴趣是在空间天气方面（1997年12月10日贺卡）；国际空间研究委员会1996年7月14-21日第35届COSPAR会上 D.N.Baker等科学家指出它的多学科性质，空间研究中偏应用的研究领域被广泛称作“Space Weather”；美国宇航局专门成立了空间天气处（NASA Space Weather Bureau）,并在网上介绍（）：空间天气是一门相对新的科学领域；美国空间天气工作组主席H.Koskinen: 在国际日地物理委员会的 News letter (Vol.2,No.1,Maceh,1999)上写到：Space Weather是一门正迅速发展
的把日地物理科学与地面和空间技术应用紧密结合（Tying）在一起的学科（discipline）。

在我国，90年代初我国科学家们便指出“空间天气学的时代已经来临”，“已提到议事日程”（自然科学学科发展战略调研报告——空间物理，91年初稿科学出版社1996年）、“空间天气学”作为一门新兴的系统科学，必将在人类跨世纪的步伐中应运而生（地球科学进展，Vol.9,No.3,93年6月收稿，94年5月刊出；“九五”国家重大科学工程建议书中（1994年初提出）提出“为在二十一世纪初建立和发展《空间天气学》作出重要的国际贡献”；“九五”国家基金委重大项目建议书（1995.7.7）:“空间科学正进入一个科学与应用紧密结合的《空间天气学》新时期，它是多学科的前沿交叉领域”。

“灾害性扰动过程研究将带动我国日地物理向《空间天气学》新阶段快速发展”，1997年5月、1998年8月和1999年10月分别在北京、黄山和昆明召开第一次、第二次和第三次全国《空间天气学》研讨会，号召大家为推动《空间天气学》的迅速发展起好先驱作用，并呼吁尽快制定“我国的空间天气战略计划”。

可以看到，我国和西方科学家明确指出Space Weather是一门学科，大体是在同一时期。

今天人们对空间天气学的认识正经历一个快速发展和不断丰富的过程。

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，更关系到增强国家综合实力，它是一门具有重要基础性、战略性和前瞻性的跨世纪新学科。

让我们勇作空间天气学的先驱者！
二、空间灾害性天气对人类航天活动有什么影响?
赵 华1 朱文明 2
1．中国科学院空间科学与应用研究中心，空间天气研究实验室 2．航天工业总公司501所
1994年1月份的几天里，加拿大部分地区的电视、广播、电话等不能正常工作，给当地人们的生活、工作造成了重大的不利影响。

这次事故的原因不是恐怖分子袭击了各电视台、广播电台、电话局，而是为电视、广播、电话提供通讯服务的三颗同步轨道通讯卫星Intersat-K, AnikE1和AnikE2受到了空间环境的强烈干扰。

卫星上的惯性陀螺仪失效，卫星姿态失去控制，卫星不能正常提通讯服务所至。

卫星及大部分空间飞行器的运行区域是地球大气层以上的电离层，磁层及行星际空间。

这些空间区域并不是完全的“真空”，而是“充满”着大量的等离子体(一种处于电离状态的粒子气体)、高能粒子、微流星体、尘埃、空间碎片、中性原子和电磁射线等物质。

空间飞行器就是运行在这样的空间环境中。

这些物质对航天器有一定的作用，其作用形式及效应与这些物质的分布状态及运动状态有极大的关系。

对空间环境中各种物质分布状态及运动状态的描述及对这些状态变化规律的研究就是空间天气学的基本内容。

空间环境对空间飞行器正常运行的重大干扰则是“空间灾害性天气”的一部分。

研究造成航天器异常/故障，尤其是使航天器任务部分或全部失效的灾害性扰动环境，发展预报发生空间灾害性“天气”的方法、模式、手段，是实现航天器在轨任务及工作寿命的重要保障。

航天器系统受到空间环境影响产生的主要问题包括：微米尺度的颗粒撞击航天器系统，造成系统结构的破坏；由于高能带电粒子引起的单粒子翻转事件；由于污染及辐射造成材料性能的恶化；电介质的击穿、空间系统的强静电、等离子体紊乱造成电磁波的折射与散射，以及对空间系统探测器的干扰等。

前面所提及的加拿大通信卫星出现故障主要是由于高能电子引发的深层充电所造成的。

国内、外诸多在轨运行卫星发生异常/故障的分析结果表明，由空间环境因素引发的故障占总故障的40%。

随着卫星技术的发展，航天器上的仪器越来越精密、探测器越来越灵敏、太阳能电池帆板越来越轻。

这些新技术的采用使空间飞行器对空间环境效应越
来越敏感，特别是对辐射及静电带电效应。

另外小卫星技术的广泛采用，在飞行器的研制中正在逐渐加大对商业器件的使用。

而这些商业器件大多未经特殊加固处理，容易受到空间环境中粒子的损坏。

德国在1997年12月发射的科学实验卫星Equator-S，原先的设计寿命为一年。

发射后卫星运行了近五个月的时间就彻底的毁坏，不能继续完成其科学探测使命。

很多科学家都认为Equator-S的提前终结，是由于卫星研制周期过短，经费紧张，很多防护措施不够，以致于卫星在空间环境中各种不利效应的作用下，最终导致卫星失效。

虽然这种事例并不常见，但损失却是非常沉重的。

空间环境效应对空间飞行器造成局部或部分时段的工作异常，其损失也是难以估量的。

例如空间碎片、微流星可能造成太阳能电池板局部区域的击穿，从而降低电能的供应。

宇宙线可能造成飞行器上的微电子器件的单粒子翻转事件，产生错误指令，或使存贮器锁定。

日冕爆发产生的高能粒子及电磁辐射会对航天器造成电磁干扰。

辐射带中的高能粒子会造成航天器结构材料的性能恶化，对宇航员可能造成辐射损伤。

空间环境中高能等离子体会引起航天器带电，一方面干扰飞行器上各种科学探测仪器的工作，另一方面还会造成飞行器上电介质放电击穿。

另外飞行器的带电会使飞行器表面吸附飞行器喷出的推进剂，造成卫星表面的污染。

低能等离子体则会造成飞行器的电流泄漏，增加无用功耗。

同时，低能等离子体还可能在飞行器表面沉积，对某光学仪器的镜头造成污染或改变其光学性能。

空间环境中的中性原子氧则会对飞行器的材料造成表面腐蚀。

空间中微米尺度的微粒撞到航天器时，具有足够的动能破坏航天器上的一敏感部件。

例太阳能电池帆板的玻璃防护层。

微粒撞击航天器时所施放出的能量，足以在航天器的局部表面产生高密度的中性原子和等离子体团。

并对航天器上的某些传感器、天线产生干扰。

非常高能的带电粒子能在航天器电子学器件中沉积足够的电荷量，干扰集成器件的记忆状态，产生伪信号，这就是单粒子翻转事件。

单粒子翻转事件本身并不发生硬件损伤，是状态可以恢复的“软”错误。

但它导致航天器控制系统的逻辑状态紊乱时就可能发生灾难性后果。

我国“实践四号”探测卫星平均每天测到3.4次单粒子翻转事件，卫星上的一台测量单粒子事件的探测器平均每一个月发生一次单粒子锁定事件。

我国某些应用卫星也因单粒子翻转事件产生局部的工作异常。

很多遥感卫星的粒子探测器也会受到高能粒子的干扰。

这种干扰有两层意思，其一是高能粒子直接通过粒子探测器；其二是高能粒子产生的次级辐射。

次级辐射的谱段可以覆盖从可见光到ϒ射线。

能量范围在MeV的带电粒子虽不能造成航天器上部件及材料的永久损坏，但这些带电粒子在航天器各部分的长期积累也会威胁航天器上某些系统的功能。

一个最明显的例子就是这些具有一定能量的带电粒子在太阳能电池
帆板上的积累会逐渐降低太阳能电池板的效率。

另外，较高能量的电子在非良导体材料中形成的电荷积累有可能导致电介质的放电击穿，同时产生电磁干扰脉冲及材料的损坏。

英国/美国联合研制的CRESS卫星及国际气象组织的Meteosat-3卫星就是由于这种电荷积累效应而发生问题的。

不仅较高能量的带电粒子能对航天器的运行产生不利影响，即使是低能的等离子体也对航天器的运行产生干扰。

由于航天器在空运行过程中始终与等离子体保持接触，因此等离子体可以看成是一个很强的电流源。

等离子体的寄生电流会在航天器上产生磁矩从而可能影响航天器的姿态控制。

等离子体还可能造成航天器上高压系统的短路。

低能等离子体也能引起航天器表面带电，如果表面电位较高则可能导致放电打火，产生电流或电磁脉冲，会对航天器上的电子器件产生干扰。

另外如果航天器的表面电位较高，会吸附一些污染物，导致航天器表面性能的恶化。

除了高能粒子、等离子体，即便是空间中乘余的中性大气也会引起航天器表面氧化，侵蚀表面，或在表面形成污染层。

针对这些由于空间环境造成的航天器故障，如果能事先知道可能发生故障的轨道区域及发生的时间，则可以通过一些技术措施以避免这些故障的发生。

三、空间灾害性天气对通信、导航定位有什么影响？∗
吴 健1 郭兼善2
1.信息产业部电子第二十二研究所北京研究中心，北京6301信箱，
邮编102206
2.中国科学院空间科学与应用研究中心，空间天气开放实验室100080
人们熟知的天气是指近地大气层十几公里以下出现的风、霜、雨、雪变化，而十几公里以上一直到太阳附近的广阔空域的天气变化就鲜为人知了。

这些变化对人类的活动的影响是不可忽视的，有的甚至是灾难性的。

我们下面来谈谈对通信和导航定位无线电系统影响较大的电离层天气。

电离层指地球大气中那一层部分离化的大气。

1902年亥维赛和肯涅利两位科学家为了解释无线电波的反射而假设有“导电层”包围着地球，当时人们以两位科学家的名字命名它为肯涅利——亥维赛层。

1925年阿普里顿和巴涅特利用电波的干涉原理首先证明了电离层的存在，促进了电离层研究在科学和应用方面的迅速发展。

迄今为止人们已弄清了电离层自下而上划分成C、D、E、F 几个区，在白天F区又细分为F1区和F2区。

电离层中电子密度随高度分布变化达四个量级，以典型中纬度地区电离层平均状态为例，C区电子密度约为108/立方米，D区约为109/立方米，E区为109~1011/立方米，F区为1011~1012/立方米。

最大电子密度出现在F区，最大电子密度对应的等离子体频率叫做电离层F2区临界频率，F区以上称为顶部电离层，电子密度随高度递减。

除了高度分布外，电离层中电子密度从高纬度向低纬度明显增加，在地磁场赤道两边形成两个驼峰，这个区域称为赤道驼峰区或赤道异常区。

电离层中的等离子体是由部分太阳辐射（远紫外射线、α射线、β射线、x射线和宇宙射线）电离中性大气成分产生，因此电离层的电子密度有明显的日变化、季节变化。

太阳辐射有11年周期变化，因此电离层也有相应的11年周期变化。

电离层的存在和这些时空变化引起无线电波折射、吸收、闪烁、多径效应、极化旋转、色散和Doppler频移等的变化，从而导致通信、导航、测量和遥感信息质量的降低甚至失灵。

经过近几十年的空间高技术探测以后，人们更认识到，除上述平稳规则的
变化之外，由于太阳的剧烈活动及地球空间系统的非线性不稳定性，还会形成所谓的电离层暴。

这时候，电离层中的带电粒子密度、电流系统、电场分布等都会出现暴发性的涨落，其时间尺度可小到十分之一秒量级，空间尺度从几米到成百上千公里，对卫星通信导航定位和地面输电、输油等工程技术系统造成破坏性的影响。

这决不是耸人听闻的！1989年3月13日的强烈地球空间暴使得加拿大魁北克的大部分地区停电9小时以上，六百多万居民受到影响，使魁北克电力公司在加拿大损失了近两万兆瓦的电力，输送到美国的电力损失也超过千兆瓦。

电离层天气就是要监测、研究和预报如日冕物质抛射、磁层电场、粒子沉降等在电离层中的种种反映，也就是说要研究电离层天气及其产生原因，最终将可能为有关部门提供电离层天气预报。

下面我们主要以无线电技术领域为主线来介绍电离层的影响。

一、电离层天气对通信系统的影响
短波通信选频。

与电离层关系最密切的是短波。

远距离短波通信是靠电离层对短波信号的反射来实现的，最高和最低可用频率取决于电离层电子密度的分布。

因而频率预报取决于通信电路上电离层电子密度的预报。

利用电离层随太阳活动、季节、时间、地理位置的变化来预测短波通信电路的最高和最低可用频率，就是短波通信的选频问题。

电离层的快速变化能导致短波通信信道衰落，强衰落能致通信中断。

太阳爆发产生的电离层短波吸收增强也能引起短波通信中断。

当前不同地球物理条件下电离层的变化规律研究还远不能适应通信系统的设计和使用需求。

为了保障短波通信的质量，“国际空间环境服务组织（ISES）”专门从事快速交换电离层探测数据，发布影响短波通信的电离层骚扰警报。

中国电波传播研究所是亚洲区域中心之一，负责中国区域的数据交换、预报和警报的发布。

2000年6至7月份，多次发生电离层扰动事件，使短波通信可通频带变窄，通信质量受到严重影响，最严重的事件使短波通信中断达20多小时，由此可见电离层天气对短波通信的重要性。

卫星通信。

卫星通信包括同步和低轨道卫星网（移动通信）两类系统。

所采用的频率大都能穿透电离层。

对于甚高频段（VHF）以上频率，电离层快速随机变化引起的信号闪烁会导致信道的信噪比下降，误码率上升，严重时使卫星通信链路中断。

这种现象在低纬和蔼高纬（极光区和极盖区）地区尤为频繁、严重。

我国的台湾——广州一线以南的地区属于电离层闪烁的高发区，海事卫星通信在这些地区经常出现中断现象。

1989-1990年美国在巴拿马的军事行动期间多次发生的指挥自动化系统中断事件也是由于严重的电离层闪烁导致的。