新兴的交叉科学——空间天气学
新兴的交 叉科学 空间天气学
焦维新（北京大掌地球与空Ｉ司科学学院） 口口通过长期的实践和研究，人们越来越深刻地认识到，太阳活动变化对空间的天气影响巨大，并经常对人类
社会尤其是运行中的航天器造成威胁。所以，目前对空间天气的研究正日益受到重视。ｋＬ２０１（１年起，太阳活动
进入第２４个峰年，因此在２０１０－２０１４＃－期间，是探测和研究太阳高能粒子事件、日冕物质抛射和太阳风，及它
们对空间环境影响的最佳时期。我国也很重视对空间天气预报的研究。２０１０年７月２７日一８月２日，中国地球物
理学会空间天气学委员会在上海召开了第七次全国空间天气学研讨会。此次学术研讨会的规模是历次会议最大
的，与会代表２４（）多人，共提交论文近２００篇，这反映出我国空间天气学事业正呈现蓬勃发展的局面。
１什么是空间天气
日常所讲的天气是指发生在对流层内、影响人
类生活、生产的中性大气物理图像和物理状态，例如
阴、晴、雨、雪、冷、暖、干和湿等。 对流层是大气紧贴地面的一层。它的下界是地
面。上界因纬度和季节而不同。在低纬度地区其上
界为１ ７—１ ８ｋｍ；在中纬度地区为１０—１２ｋｍ；在高
纬度地区仅为８～９ｋｍ。夏季的对流层厚度大于冬
季的。 对流层顶以上的大气处于什么样的状态，是否
会影响人类的生存和发展？随着空间技术的发展，人
１４ Ｓｐａｃｅ Ｉｎｔｅｒｎａｔｉｏｎａｌ／国际太空
２０１Ｏ．１２ ▲一次大的日冕物质抛射
类对从对流层顶一直到太阳大气表面这一广阔空间区
域的物理状态有了深入的了船。这一区域既含有中性
气体，又有电离气体和高能带电粒子；既存在稳定的
重力场，又有以各种时间尺度变化的电磁场。在大
约６０ｋｍ以上，中性大气密度和温度、电离气体的电
子密度等参数对太阳变化的响应极为敏感，幅度变化
大。这些参数迅速而大幅度的变化还能进一步衍生许
多效应，对地面和空间的技术系统产生明显的影响，
甚至使之失效。因此，人们需要像关心日常天气那样
关心对流层以上的环境状态。这样，天气概念所涉及
的空间范围自然要扩展。空间天气的概念就是在这一
背景下产生的。
空间天气是一个比较新的概念，它的内容和含
义仍在发展中，最普遍的一种理解是：空间天气是指
瞬时或短时间内太阳表面、太阳风、磁层、电离层和
热层的状态。它们的状态可影响空间和地面技术系统 的性能和可靠性，危及人类的生命和健康。恶劣的空
间天气可引起卫星运行、通信、导航以及电站输送网
络的崩溃，造成各方面的社会经济损失。
上述空间天气定义强调了其消极的一面。实际
上，与日常所说的天气一样，空间天气也有好、差和
恶劣之分。所谓好的空间天气是指太阳表面、行星际
空间、磁层、电离层和高层大气处于平静的状态，有
利于运载火箭发射和卫星正常运行；所谓差的天气是
指上述区域具有不同程度的扰动；而恶劣的空间天气 就是各种空间暴，如强的日冕物质抛射、大耀斑、高
速太阳风、磁暴、亚暴和电离层突然骚扰等。研究空
间天气最重要的社会和经济方面效益，在于通过有效 的警报和预报以及合理的系统设计，可避免或减轻恶
劣空间天气造成的不良后果。 历史上，第一个有记载的空间天气损害技术系
统的事件发生在１８４７年３月１９日，那天在英格兰观察
到电报装置上的指针自发地偏转。第一个有记载的磁
暴影响电力系统的事件发生在１９４０年３月２４日，美国
和加拿大的电力系统在磁暴期间受到很大影响。这些
相关事件是空间天气效应的早期实例。
人类进入空间时代以后，对各种空间天气现象
开始进行直接观测，因而对太阳表面的扰动、这些
扰动在行星际空间的演变及其对地球空间的一系列
效应，都有了更深入的了解。然而， “空间天气”
一词在过去很长一段时间内都没有被公众所了解，
一方面是由于当时空间技术主要用于军事，另一方
面是由于空间技术在最近２０年才普遍地进入老百姓
的日常生活。具有广阔基础的国家空间天气服务的
概念是由代表美国的国家基金委、国防部、航空航
天局、内务部、能源部及海洋与大气管理局的一个
小组于１９９４年提出的。在此之前，包括中国在内的
许多国家的有关研究部门在提供空间天气信息方面
已做了大量工作，但这些工作没有组织到一个协调
一致的计划里。
Ｓｐａｃｅ Ｉｎｔｅｒｎａｔｉｏｎａｌ／国际太空２０１Ｏ．１２
１５ ２典型的空间天气效应
空间天气与人类的生存和发展有密切的关系。
随着社会的进步，人类越来越依靠高科技系统，特别
是航天系统。为了保证这些系统的正常运行，我们比
以往更加注意空间天气的状态和预报，因为空间天气
事件常常对这些系统产生严重的影响。 描述空间天气状态变化的程度，对于不同的领域
都有相应的物理参数。例如，描述地磁场变化的有Ｋｐ
指数、ＡＥ指数、Ｄｓｆ指数等。但概括说来，空问天气 状态变化可分为周期性变化和非周期性变化、平静变
化和激烈变化。我们将空间天气状态在短时间（几分
钟到几天）内远远偏离正常值的现象称为空间暴。从
空间天气预报的角度来说，空间暴是指所有粒子和电
磁场的强烈扰动，它们起因于太阳耀斑、日冕物质抛
射、高速太阳风、磁层和电离层不稳定性。空间暴对
地面和空间技术系统、航天安全、生产活动和生态环
境有很大影响，因而它是空间天气预报的重点内容。
磁暴及其对输电系统的破坏作用
太阳爆发时，高速太阳风等离子体流与磁层相互
作用，使环电流及极光电集流强度大增，引起地磁场 的强烈扰动——磁暴和 亚暴。地磁场的剧烈变
化在地表面感应出的电
位差称为地球表面电位
（ＥＳＰ），这个电位差 可达２０Ｖ／ｋｍ。地球表面电位作为一个电压源加到电力
系统Ｙ型联接的接地中线之间时会产生地磁感应电流
（ＧＩＣ）。与５０Ｈｚ交流电相比，地磁感应电流可看作是
直流。这个直流电流作为变压器的偏置电流，能使变压
器产生所谓“半波饱和”，严重的半波饱和会产生很大
的热量，使变压器受损甚至烧毁。近年来最引人注目的
磁暴损坏输电系统的事件发生在１９８９年３月，当时一个
强磁暴使加拿大魁北克的一个巨大电力系统损坏，６００万
居民停电达９ｈ，仅电力损失就达２ Ｘ １０ ｋＷ，直接经济损
失约５亿美元。在这次事件中，美国的损失虽小，但亦达
２５００万美元。据美国科学家估计，此事件若发生在美国
东北部，直接经济损失可达３０亿一６０亿美元。
高能带电粒子的效应
高能带电粒子主要包括高能电子、质子和重离
子，源于太阳的各种爆发性活动，在行星际空间传播 过程中以及进入地球磁层后，在多种物理机制的作用
下会进一步加速（增能）。高能电子能穿透卫星的表
面，沉积在卫星内部电子部件的电介质中，可引起卫
星内部充电。当电荷积累达到一定的数量时，会产生
静电放电，这种放电过程轻则会干扰卫星正常工作， 重则会使电子部件损坏，甚至导致卫星完全失效。高
能质子和重离子可引起电子信号电位翻转，在卫星中
产生伪指令或在仪器中产生错误数据，这些伪指令会
使卫星逻辑控制系统发生错误，严重时可导致灾难性
后果。高能电子使卫星出现故障的例子很多。例如，
１ ９９４年１月，一个高能电子暴使加拿大“阿尼克”
（Ａｎｉｋ）通信卫星失控，不得不启用备份系统，６个 月以后才完全恢复工作，结果损失达２－￣Ｚ，美元。
太阳爆发产生的高能粒子辐射也会危及航天
员的生命安全。在太阳耀斑期间，空间粒子辐射通
量可达到正常情况的上百倍。在美国阿特兰蒂斯号
（Ａｔｌａｎｔｉｓ）航天飞机发射“伽利略”（Ｇａｌｉｌｅｏ）木
星探测器期间，航天员眼睛能感觉到高能粒子轰击所
引起的闪光现象，这是由于高能粒子穿过视网神经造
成的，直到质子事件过去，这种情况才减退。如果这
期间航天员在舱外活动，他将受到致命的辐射剂量。 航天器在太阳爆发期间受影响的程度取决于其
空间位置。如果航天器在此期间处于辐射带中，那么
受影响的程度可能比较严重。
低轨道卫星的“危险区”是在南大西洋异常区。
在那里，同一高度的粒子辐射通量比其他地区大得多，
因此，卫星通过此区域时，发生的异常事件非常多。
空间等离子体对卫星的效应
空间等离子体可以使人造地球卫星表面带电，
特别是在磁暴、亚暴和高地磁活动性期间情况更为严
重，卫星表面电位可达几万伏，卫星各个部件之间可
能有很高的电位差。大的电位差可使电子器件被击穿 而造成永久性损坏。
高层大气密度变化对卫星轨道和寿命的影晌
美国哥伦比亚号（Ｃｏｌｏｍｂｉａ）航天飞机第一次 飞行时，由于太阳爆发，造成高层大气密度大幅度
Ｓｐａｃｅ Ｉｎｔｅｒｎａｔｉｏｎａｌ／国际太空２０１０．１２
１７ 航天飞机遇到的阻力比以前增加１ ５％，幸亏
足的燃料，采取了应急措施，才避免了机毁人
故。美国发射的“天空实验室”（Ｓｋｙｌａｂ）
，由于没有充分估计到临近太阳活动峰年，
力增加，以致提前２年坠毁。美国“太阳峰 ０．５ｋｍ，整个磁暴期间下降了４．８ｋｍ。最终提１
落。美国空军和海军长期以来一直监视空间的１：
个目标。由于粒子沉降，高纬电离层加热增加，ｊ
目标受到的拽力发生了变化，在经历了近年来几一
磁暴以后，不少目标由于轨道参数发生显著变化ｉ
失。高层大气密度分布表明，在中等磁暴期间，一
区域的大气密度增加了２０％以上。
电离层扰动对无线电通信及导航系统的干扰和
当强烈的太阳耀斑发生时，×射线和紫外谱ｌ 辐射强度在短时间内大大增加，Ｘ射线甚至会增，
几个数量级。从太阳耀斑开始发生，大约８ｍｉｎ：
其射线可到达地球轨道，使电离层Ｄ层内电子密
增，短波无线电信号受到衰减，乃至通信中断。
电离层扰动严重影响通信的例子屡见不鲜。
）ａｃｅ ｌｎｔｅｒｎａｔｉｏｎａｌ／国际太空 ２０１Ｏ．
１２
空间天气影响及预测技术的研究进展
空间天气影响及预测技术的研究进展
近年来，随着人类的科技进步和探索，对于外层空间的探索和理解也得到了极大的提升。空间天气影响及预测技术的研究进展，成为了当前科技研究的热门之一。
一、 空间天气的影响
空间天气是指太阳和地球之间的相互作用所产生的气象现象和物理过程，其中包括了日冕扰动、太阳风、磁层扰动等现象。这些现象给我们的日常生活和科技发展带来的影响是不容忽视的。
首先，空间天气对于地球的导航和通信有很大的影响。因为空间天气现象会扰动电离层、电磁波的传输以及导航卫星的轨道，导致接收信号质量下降，从而影响到我们的GPS、手机信号等通信设备的正常使用。
其次，空间天气也会影响到卫星和太空站等航天器的安全运行。由于空间天气的影响，航天器受到的瞬变电位和辐射环境将增加，从而容易损坏或者瘫痪。此外，在高空长时间的空气稀薄环境中，也要承受高能粒子的辐射损伤。
最后，空间天气对于地球气候和环境也有重要的影响。空间天气的变化不仅会导致地球磁层和电离层的扰动，也会引起电离层的异常活动、黑夜亮度的变化等现象。
二、 空间天气预测技术的研究进展
为了更好地应对空间天气带来的影响，科学家们研发了许多空间天气预测技术，其研究进展主要有以下几个方面。
1、 探测技术方面
为了更好地了解空间天气现象，科学家们开发了一系列的观测、探测技术，包括磁探测技术、电离层探测技术、高能粒子探测技术、太阳观测技术等，从而提高了对于空间天气现象的掌握。
2、 预报模型方面
基于对于观测数据的分析和研究，科学家们开发了一系列的数值模型，用以模拟和预测空间天气。其中包括行星磁场模型、日冕质点层模型、行星磁暴模型等。
3、 预报技术方面
预报技术指的是基于数值模型和空间天气现象的特征，进行预报技术的研究和应用。预报技术包括了大气层位温度变化、光学监测、宇宙射线变化等方法。
三、 未来空间天气预测技术的发展趋势
虽然目前已经有了很多的空间天气预测技术，但其预测精度以及应用范围仍然有很大的提升空间。未来，预计有以下几个方面的研发方向。
空间天气预报模型的研究与优化
空间天气预报模型的研究与优化
随着人类对空间的探索不断深入，我们对于空间天气的关注度也日益提升。空间天气对于卫星、飞船等空间设备的运作和设计有着至关重要的影响，而空间天气预报的准确性则是保障这些设备安全稳定运行的基础。空间天气预报模型的研究和优化，是提高空间天气预报准确性的必要途径。
一、空间天气模型的研究
1、空间天气的特点
空间天气与地球大气环境的不同点在于，其主要是由太阳的辐射和活动引起的，而非大气本身。空间中存在着带电粒子和辐射等不同的物理环境，它们对人造卫星和飞船等设备的能量、信号传输性能和电子元器件等都产生着显著的影响。
2、空间天气模型的基本原理
空间天气预报模型的研究就是要找出这些对于空间设备产生影响的不同因素，并建立其与空间天气变化之间的关系模型。目前比较成熟的空间天气模型有F2层电离层模型、行星内辐射带模型等。这些模型都是基于对太阳辐射和空间环境的物理机制的研究和理解而建立的。
3、模型的研究难点
空间天气模型的建立与优化面临的难点主要有以下几个方面。首先，塔的不确定性因素较多，如太阳活动周期的不同和周期之间的不确定性、空间环境场景的时空变化等。其次，模型参数的确定性困难。对于许多空间环境中存在的物理场景，尚未掌握其基本特征和变化规律，因此模型参数的确定和调整更具挑战性。此外，模型在设计和实施的过程中，还往要处理大量不同来源、尺度和物理模型的数据，这就要求研究人员具备较高的技术水平和跨学科合作能力。
二、优化模型的研究 随着人类探索空间的不断深入，越来越多的空间载荷被送入了太空。这就对空间天气预报的准确性和实时性提出了更高的要求。因此，针对已有模型，对其进行优化以提高其预报准确性就成为了研究热点。
1、空间天气预报模型的常见误差
空间天气预报模型除了模型本身的误差外，还会因为观测和数据采集等环节出现误差。例如在太阳观测中，它的数量级甚至可以达到10%~30%，而这也会给模型预报带来较大的误差。空间环境中信号传输通道的难以预测和控制导致数据缺页现象比较严重，这也是影响空间天气预报精度的重要因素。
空间科学的未来发展
空间科学的未来发展
作者：范全林 白青江 时蓬
来源：《科学导报》2022年第54期
空间科学几乎涉及全部自然科学领域，是各大基础学科中的前沿方向或重要分支。这是空间科学学科发展面临的一把双刃剑。一方面，空间科学在国家学科分类中不仅未自成门类，而且连独立的一级学科也不是。学位授予和人才培养学科目录中仅有“空间物理学”一个独立的二级学科，而在国家学科分类与代码国家标准中，列出了“空间天文学”和“空间物理学”两个二级学科。这意味着在国家的学科体系中，空间科学诸学科的本质严重依赖母学科，尚未发展出相对独立的知识体系，无论科学家群体还是研究机构和教学单位，规模都较小。由中国空间科学学会、中国宇航学会出版的《空间科学学报》《宇航学报》的学术影响力也都亟待提升。
随着中国科学卫星系列的起步，载人航天工程、月球与深空探测工程等空间领域的重大专项日益强调原创科学突破和工程任务成功并重，空间科学学科迎来了开展重大原创研究和前沿交叉突破的契机。空间科学的学科发展空间令人期待。
例如，由太阳物理和空间物理基础研究与人类航天活动应用需求相结合而产生的新兴学科——空间天气学，国内外的研究都呈蓬勃发展之势。AGU为此新创办的期刊Space
Weather：The International Journal of Research and Applications（《SWE》），影响力较高。中国空间物理学界有识之士也积极推动空间天气学的发展。2006年7月，科学技术部批准新建空间天气学国家重点实验室;2006年，中国地球物理学会成立了空间天气专业委员会;2007年11月，中国气象学会成立了空间天气学委员会。2019年4月，国家自然科学基金委和中国科学院联合开展的研究成果《中国学科发展战略×空间科学》，将日地空间环境与空间天气列为未来10～15年本学科领域的优先发展方向。
在空间天气领域我所经历的国际合作——访中国空间科学学会理事长,中国科学院国家空间科学中心原主任 吴季
170Chin. J. Space Sci. 空间科学学报 2021,41 (1)
在空间天气领域我所经历的国际合作
一访中国空间科学学会理事长，中国科学院国家空间科学中心原主任吴季
空间天气是自人造卫星发射以来，在传统学科
空间物理基础上逐步发展形成的一个新领域。空
间天气研究往往需要从太阳到地磁全链条上的观
测数据，特别需要尽可能多地获得对同一事件在不
同时间和地点的原始观测数据，以及更多的国家和
机构的参与。因此，空间天气是一个典型的需要大
量国际合作的研究领域。我自1997年以来开始进
人这个领域，主要工作是跟踪、分析和判断学科前
沿的发展，实施大型观测项目特别是卫星观测项
目，组织、协调和推动国际合作。这里对我在该领
域经历的国际合作工作做一个简要的回顾。
1.与欧空局合作的地球空间双星计划
1997年9月我开始担任国家空间科学中心副主
任，分管空间物理及其相关空间环境预报和探测技
术方面的工作，不久就遇到了一次与欧洲空间局深
度合作的机会。
1997年初刘振兴院士与其合作者北京大学濮
祖荫教授等一起讨论,如何在地球空间实施一个多
点的探测计划。当时欧空局四颗卫星的星蔟计划
(CLUSTER)刚在1996年经历了发射失败，国际上
对地球空间的探测处于低谷。经过讨论，这个集中 了当时中国国内空间物理领域大部分科学家的小
组，提出了一个双星的探测计划，即地球空间双星
计划。该计划的两颗卫星分别为赤道星和极轨星，
都是大椭圆轨道，但是轨道高度比欧洲的星簇计划
距离地球更近，使得卫星每转一圈都要进出辐射带
两次，因此需要卫星具备较强的抗辐射能力。此
外，数据传输和测控也挑战很大，因为其轨道高度
是我国当时最高的。
1997年11月我们迎来了由欧洲空间局科学部
主任Roger Bonnet带队的星簇计划代表团的访问。刘振兴院士和我商量,拟在接待该代表团的交流会
上报告双星计划的设想，希望得到欧洲同行的认可
和支持。
空间天气研究进展
气象科技
26Advances in Meteorological Science and Technology 气象科技进展 1(4) - 2011空间天气研究进展
收稿日期：2011年9月1日；修回日期：2011年10月23日第一作者：吕建永（1966—），Email:lujy@资助信息：国家自然科学基金项目（40874087，41031063）； 公益性行业（气象）科研专项（201106011）；海 洋公益性行业科研专项经费（201005017）吕建永 杨亚芬 杜丹 周全 毛田（国家卫星气象中心/国家空间天气监测预警中心，中国气象局，北京 100081）
摘要：空间天气对人类活动具有深刻的影响，关系到社会的经济发展和国家安全，其研究和应用正面临着日益增长的需求。主要从业务和应用的角度，描述了空间天气所涉及的主要区域内的空间天气现象及空间天气要素近年来国内外的主要研究进展和态势，以期读者对空间天气有一个整体的认识。关键词：空间天气，太阳，磁层，辐射带，电离层，热层
Advances in Space Weather Research
Lu Jianyong, Yang Yafen, Du Dan, Zhou Quan, Mao Tian(National Satellite Meteorological Center /National Center for Space Weather, China Meteorological Administration, Beijing 100081)
Abstract: Space weather has a great impact on human activities, relevant to the socioeconomic consequences and national security. Space weather research and application is now on the increase. With a view to the space weather operation and application, we present a review of the recent progress in the space weather research, with a specific focus on the main phenomena and elements. It is our hope to provide readers with an overall knowledge of the space weather and its understanding.Key words: space weather, sun, magnetosphere, radiation belt, ionosphere, thermosphere
近空间天气学研究与预测技术
近空间天气学研究与预测技术
第一章 引言
近空间天气是指大气层中高度在70至1000公里范围内的天气变化和现象。近年来，随着空间探测技术的飞速发展，人类对近空间天气的研究与预测技术也取得了重大突破。本文将介绍近空间天气学的研究内容、技术方法和预测应用。
第二章 近空间天气学的研究内容
近空间天气学的研究内容主要包括电离层、磁层、电磁辐射和宇宙射线等方面。电离层研究是近空间天气学的核心内容之一，电离层对电磁波的传播和导航系统的性能具有重要影响。磁层研究主要关注地球磁场的变化和磁暴现象。电磁辐射与宇宙射线研究则关注高能粒子及其对电子设备和人体的影响。
第三章 近空间天气学的研究方法
近空间天气学的研究方法包括观测方法和模拟方法两种。观测方法是通过地面观测站点和卫星观测装置等手段，采集近空间天气相关数据。这些观测数据能提供对近空间天气变化的直接观测，为研究和预测提供重要基础。模拟方法是利用数值模型对近空间天气进行模拟和预测。这种方法可以提供更全面、精确的近空间天气信息，为空间探测和行星探测任务提供重要参考。
第四章 近空间天气学的预测技术 近空间天气的预测技术是对观测数据和数值模型进行分析和推演，以预测近空间天气变化趋势和可能影响。预测技术主要包括统计方法和物理模型两种。统计方法根据历史观测数据和机器学习算法，寻找近空间天气的统计规律，以实现短期预测。物理模型则基于物理原理建立数学模型，通过模拟和分析天气变化过程，实现中长期预测。
第五章 近空间天气学的应用
近空间天气学的研究与预测技术应用广泛，涉及航天、导航通信、环境保护等领域。在航天领域，近空间天气的研究可以为空间探测任务提供飞行安全和通信保障。在导航通信领域，近空间天气的预测技术可以提供精确的导航和通信信号传输条件，提高系统的可靠性和服务质量。在环境保护方面，近空间天气研究可以帮助监测地球电离层和磁层的变化，提早预警地球环境的异常变化。
第六章 近空间天气学的挑战和展望
新兴的交叉科学——空间天气学
新兴的交 叉科学 空间天气学
焦维新（北京大掌地球与空Ｉ司科学学院） 口口通过长期的实践和研究，人们越来越深刻地认识到，太阳活动变化对空间的天气影响巨大，并经常对人类
社会尤其是运行中的航天器造成威胁。所以，目前对空间天气的研究正日益受到重视。ｋＬ２０１（１年起，太阳活动
进入第２４个峰年，因此在２０１０－２０１４＃－期间，是探测和研究太阳高能粒子事件、日冕物质抛射和太阳风，及它
们对空间环境影响的最佳时期。我国也很重视对空间天气预报的研究。２０１０年７月２７日一８月２日，中国地球物
理学会空间天气学委员会在上海召开了第七次全国空间天气学研讨会。此次学术研讨会的规模是历次会议最大
的，与会代表２４（）多人，共提交论文近２００篇，这反映出我国空间天气学事业正呈现蓬勃发展的局面。
１什么是空间天气
日常所讲的天气是指发生在对流层内、影响人
类生活、生产的中性大气物理图像和物理状态，例如
阴、晴、雨、雪、冷、暖、干和湿等。 对流层是大气紧贴地面的一层。它的下界是地
面。上界因纬度和季节而不同。在低纬度地区其上
界为１ ７—１ ８ｋｍ；在中纬度地区为１０—１２ｋｍ；在高
纬度地区仅为８～９ｋｍ。夏季的对流层厚度大于冬
季的。 对流层顶以上的大气处于什么样的状态，是否
会影响人类的生存和发展？随着空间技术的发展，人
１４ Ｓｐａｃｅ Ｉｎｔｅｒｎａｔｉｏｎａｌ／国际太空
２０１Ｏ．１２ ▲一次大的日冕物质抛射
类对从对流层顶一直到太阳大气表面这一广阔空间区
域的物理状态有了深入的了船。这一区域既含有中性
气体，又有电离气体和高能带电粒子；既存在稳定的
重力场，又有以各种时间尺度变化的电磁场。在大
约６０ｋｍ以上，中性大气密度和温度、电离气体的电
子密度等参数对太阳变化的响应极为敏感，幅度变化
大。这些参数迅速而大幅度的变化还能进一步衍生许
多效应，对地面和空间的技术系统产生明显的影响，
甚至使之失效。因此，人们需要像关心日常天气那样
空间天气及其物理原理
空间天气及其物理原理
空间天气是指太空中发生的一系列物理现象，这些现象会产生一定的影响，如对卫星、宇航员等有一定威胁。了解空间天气以及其物理原理对预防危害、提高科学技术水平及发展人类航天事业都具有重要意义。
一、空间天气产生的物理原理
1、太阳活动
太阳是空间天气的主要原因，太阳会不断地释放电子、质子、原子核等带电粒子，这些带电粒子被称为太阳风。太阳风具有比较高的能量，它们穿越太空，短时间内可以到达地球，引起空间天气的变化。
2、地球磁场
地球磁场是阻止太阳风穿透地球磁层进入地球大气层的屏障。但是，当太阳活动过于剧烈时，地球磁场无法完全阻挡太阳风，导致一部分太阳风进入地球磁场内部，形成磁暴和地磁风暴。
二、空间天气对卫星的影响
空间天气会对卫星运行产生一定影响，造成如下问题：
1、电离层扰动
太阳辐射会使得电离层发生扰动，这种变化会影响到卫星通讯和导航，导致信号干扰或者对定位造成误差。
2、粒子辐射
太阳风和太阳辐射中的高能粒子会穿透卫星表面，与卫星电子产生相互作用，导致电路故障、磁记录器错误等问题。这种辐射可能会损坏卫星敏感的电气元件，最终导致卫星失效。
三、空间天气对航天员的影响
太阳辐射和带电粒子也会影响到宇航员的健康，如以下影响：
1、辐射损伤
航天员直接暴露在太空中，容易受到高能辐射的损伤。这种损伤可能会导致DNA损伤，增加得癌症和遗传疾病的风险。 2、宇宙风暴
航天员在行星飞越和航天飞行过程中可能会被太阳风暴击中。这种情况下，航天员极易受到风暴中带电粒子的损害，甚至可能导致器官功能障碍或严重的生理损伤。在长期航天任务中，这种损伤可能会产生更加严重的后果。
总之，空间天气及其物理原理对卫星、宇航员的运行和健康产生了重要的影响，一定程度上限制了人类探索宇宙的进程。因此，加强对空间天气的研究和监测，对于优化卫星通讯和导航，提高科学技术水平及发展人类航天事业都有着不可或缺的作用。
空间物理和空间天气探测与研究
空间物理和空间天气探测与研究
王 赤 （中国科学院空间科学与应用研究中心，北京１００１９０）
［摘要］ 空间物理学是１９５７年人造卫星发射成功后迅速发展起来的一门交叉学科。近５０年来，空间已成 为人类生存的第四环境，其重要性日益突出。２０世纪９０年代初，空间物理学与空间应用的密切结合产生了 专门研究和预报空间环境中灾害性过程及其变化规律，减轻或防止空间灾害并为人类活动服务的空间天气 学。文章简要总结了国外及国内空间物理和空间天气探测的历程和发展趋势，并提出对我国未来空间物理 和空间天气探测发展规划和探测路线图的几点建议。 ［关键词］ 空间物理；空间天气；空间物理探测；发展规划 ［中图分类号］Ｐ１７２［文献标识码］Ａ［文章编号］１００９—１７４２（２００８）０６—００４１—０５
１前言 １９５７年人造卫星上天，标志着人类进入了空间 时代。其后短短５０年，人类对自身的生存环境有了 全新的认识，即地球处在从太阳发出的超声速等离 子体流和磁场的包围之中。地球的空间系统由大气 层、电离层和磁层构成，它和太阳大气、行星际介质 一起构成相互耦合的系统——日地系统。来自太阳 的能量、动量和质量输出的变化，制约着地球空间环 境的形成、结构和变化。 空间物理学是伴随发射人造卫星进入空间而迅 速发展起来的一门新兴及多学科交叉的基础学科。 它把日地乃至整个太阳系作为一个系统，研究太阳、 太阳风同行星、彗星的上层大气、电离层、磁层、高能 量粒子及其他星际物质间的相互作用。人类特别关 注地球表层二三十千米至太阳大气这一广阔日地空 间环境中的基本物理过程，这是当代自然科学最活 跃的前沿学科之一。２０世纪９０年代末，空间物理 走向“硬”科学时代的一个新发展阶段，强调科学与 应用的密切结合，产生了专门研究和预报空间环境 中灾害性过程的变化规律，减轻或防止空间灾害，为 人类活动服务的空间环境、空间天气学科。 空间物理探测的主要任务，从本质是要了解太 阳系范围的空间状态、基本过程和变化规律。由于 日地空间是人类空间活动的主要区域，由太阳活动 引起的空间天气现象对航天、通信、导航和国家安全 等构成严重威胁，因此，日地空间中的物理现象与规 律，空间天气及其对人类空间活动和生态环境的影 响是空间物理探测和研究的中心任务。 ２ 国外空间物理现状和发展趋势简介 空间物理研究开始于地基监测，人类很早从极 光、气晖、天电、潮汐等现象开始了地面的观测研究， 随后利用气球、火箭进行了临近空间的探测。 １９５７年人类发射第一颗人造卫星开辟了空间 科学发展的新纪元。空间物理学的发展随着航天技 术和空间探测技术的发展而迅速发展起来了。自２０ 世纪中期的半个世纪以来，人类发射了数百颗航天 器用于空间物理探测，空间物理学天基探测的发展 大致分为如下３个阶段。 １）２０世纪６０年代初到８０年代末，发现和专门 探测阶段。整个６０年代充满了激动人心的空间新 发现。人们发现了辐射带的存在，发现和证实了太 阳风的存在，并相继发现了太阳风中存在激波、高速
空间天气预测技术的研究与应用
空间天气预测技术的研究与应用
空间天气是指在地球大气层及其周围的太空环境中，由带电粒子、电磁场和高能辐射等因素组成的自然环境。空间天气不仅涉及到人们的卫星通信、导航和空间探测等方面的应用，还牵扯到人类的安全和健康问题。在过去几十年中，随着空间技术的发展，对空间环境的预测和监测工作也得到了显著的提高，其中尤以空间天气预测技术的研究和应用最为重要。
空间天气预测技术是利用气象学、物理学、地球物理学、计算机科学和通信技术等学科，对空间中的电离层和磁层等物理现象进行研究，并生成预测和警报信息，以支持人类的安全和科学探索。该技术主要依靠卫星监测和地面观测，通过收集和分析空间环境中的各种数据，包括太阳风、磁暴、宇宙射线、电离层扰动等，进行预测和预警，以减少对卫星通信、导航、气象、天文观测等方面的影响，同时也能够在重大天气灾害中，提供重要的应急预警信息，促进国家安全和社会发展。
当前，越来越多的国家和地区开始重视空间天气预测技术的发展，并投入了大量的人力和物力进行研究和应用。在国内，“空间天气一号”卫星的上线，以及我国空间科学和应用发展规划的推进，极大地促进了我国空间天气预测技术的发展。通过不断的技术创新和发展，我国已经建立了一套完整的空间天气监测、预测和预警系统，可以实现从太阳表面到地球磁场的全链式监测，为我国的空天科学研究和生产活动提供了有力的支持。
空间天气预测技术主要包括以下几个方面：
一、空间天气监测技术：空间天气监测是通过一系列的观测手段，掌握和分析空间环境中的有关数据，包括太阳活动、磁场扰动、电离层扰动、宇宙射线和高能粒子等。目前，空间天气监测主要依靠卫星观测和地面观测两种方式。卫星观测的方式主要包括：测量太阳辐射和磁场的卫星，测量电离层参数的卫星，测量宇宙射线和对流层的卫星等。地面观测主要利用无线电、光学、雷达、航空等技术手段对空间环境进行观测。
二、空间天气预测技术：空间天气预测主要依靠先进的数值模拟和统计分析手段，对空间环境中的各种物理现象进行预测和分析。常用的预测手段主要包括数值模拟、数据同化、统计回归、神经网络等。数值模拟是目前空间天气预测中最常用的一种预测方法，它通过对大气电化学反应、电离层结构和磁场演化等复杂物理过程进行数值计算，模拟出未来一段时间内的空间天气变化，提供空间天气预测和预警信息。