什么是空间环境与空间天气？

　　1957年10月4日，苏联发射的世界第一颗人造卫星“斯帕特尼克1号”进入太空，标志人类进入了空间时代。到21世纪的今天，空间已经成为人类现代航天、通信和空间军事等高科技活动的重要场所，成为发达国家竞争的战略高地。

　　 空间环境 

　　随着人类航天活动的进展，人们逐渐认识到，除了地球的陆地、海洋和大气外还有一个空间环境。地球表面20～30公里以上的中高层大气、电离层、磁层、行星际空间和太阳大气构成了日地空间环境，称为地球的“空间环境”，它由太阳不断向外输出的巨大能量和物质与地球相互作用形成。

　　空间环境的变化根源来自太阳活动。太阳表面一些剧烈的爆发活动（即“太阳风暴”），如太阳耀斑、日冕物质抛射事件等，一旦喷发，很多物质就会喷发到行星际空间。这类大团物质的空间尺度要比地球大很多倍，甚至可能大几十到上千倍，有的可能传到地球空间，有的则不会进入地球空间。

　　 

　　

　　图1、 日地空间示意图 

　　 

　　

　　图2、 空间天气示意图 

　　 空间天气 

　　太阳耀斑和太阳物质抛射放出的电磁辐射带电粒子以及超音速运动的太阳风暴如果影响到地球空间，会引起地球高空的结构、密度、温度、运动状态、电磁状态、通讯条件、光学特性、带电粒子分布等发生急剧变化，常常出现灾害性空间天气。这些事件就像地球上的狂风暴雨一样，不但引起卫星运行、通信、导航以及电站输送网络的崩溃，造成地球上的通讯中断，还可能危及人类的生命和健康，造成各方面的经济社会损失。

　　短时间尺度（分钟，小时，天量级）空间的状态或事件称为“空间天气”，也就是指太阳上和太阳风、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以及危害人类的健康和生命的状态。

　　 

　　

　　图3、 空间天气对人类社会生活的影响 

　　 空间天气学 

　　英国人Barlow早在1849年就注意到极光出现时电报受干扰的现象。第二次世界大战期间，有关政府为发展无线电通讯已经开始资助类似的空间天气预报中心。1989年3月，太阳风暴造成加拿大魁北克变压器被烧穿，停电长达9小时，同时影响了经过北美的其他电力系统，影响广泛。正是这次事件第一次使人们认识到灾害性空间天气会给人类的航天、通信、导航、电网、宇航员健康与空间安全等高科技领域的活动带来巨大损失和严重威胁。

　　 

　　

　　图4、 1989年3月加拿大魁北克变压器被烧穿的景象 

　　观测与研究表明，恶劣空间天气导致的重大空间灾害性事件几乎每年都有发生。1994年1月，加拿大部分地区的电视、广播、电话等因恶劣的空间天气而不能正常工作，给当地人们的生活、工作造成了极大的影响；1990年11月，我国“风云1号”气象卫星因高能带电粒子的轰击，卫星姿态无法控制而失败；1995年8月，我国亚太2号通信卫星因高空切变风而爆炸；1997年1月11日，美国AT&T公司的一颗价值2亿美元，设计使用寿命为12年的同步轨道通讯卫星仅服务了3年就失效；2000年7月发生的太阳耀斑和日冕物质抛射事件，导致我国北方地区短波通信遭受严重干扰，通信中断最长17个小时……。

　　“空间天气学”是指空间天气的监测、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；也是多种学科（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、空间和地基技术系统与环境相互作用等）的高度综合与交叉。空间天气学作为关系社会发展、科技进步和空间安全的一个新兴研究领域而逐渐得到了高度关注，成为国际科技活动的热点之一，也成为未来几十年内发达国家激烈竞争的科学领域之一。

　　近年来，空间天气学研究取得了许多重要的成果，发现了日冕物质抛射和耀斑的一系列新的特性和规律，发现了这些太阳活动在日地空间传播并影响地球空间天气的一些规律，并通过数值模拟进行了详细的研究，提出了相应的理论模型。同时，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。

　　 

　　

　　图5、 太阳耀斑、日冕物质抛射三维图像、太阳风影响地球磁场示意图 

　　“空间天气学”与地球大气科学中的“天气学”研究的差别以及相关关系可用下图来表示。

　　 

　　

　　图6、 “空间天气学”与地球大气科学中的“天气学”  

　　 空间环境监测  

　　空间环境监测是空间天气学研究的基础，只有做好空间环境的监测才有可能进行深入的研究，找到其变化规律。空间环境监测包括天基监测和地基监测两个方面。

　　天基监测主要依靠携带各类空间环境及其效应探测仪器的航天器进行。自1957年10月4日，苏联发射世界第一颗人造卫星“斯帕特尼克1号”进入太空以来，国际上已有近千颗航天器开展空间环境探测。我国从1971年发射空间环境探测卫星“实践一号”开始，也已发射了大量的航天器，包括神舟飞船系列、气象卫星系列、资源卫星系列等，空间环境探测得到了加速发展。

　　 

　　

　　图7、 我国1971年3月3日发射的空间环境探测卫星“实践1号”、我国2004年9月9日发射的空间环境探测卫星“实践6号” 

　　地基监测是获取空间环境信息和数据的重要方式。地基监测通过数字磁变仪、磁力仪、地磁脉动仪、电离层数字测高仪、高频多普勒接收机、信标闪烁接收机、GPS TEC（电离层总电子含量）观测仪、流星雷达和气辉观测仪等多种观测设备采集数据，数据经处理后可获得监测区域电离层TEC分布现报、电离层频高图、地球磁场、极区及中低纬地区电离层闪烁和中高层大气风场等实时数据。

　　 　 

　　图8、 电离层TEC现报图　  中低纬度电离层闪烁图　     流星雷达实时数据  

　　　　与卫星观测相比，地基观测有5个“C”的优势：连续（Continuous）、方便（Convenience）、可操作性（Controlable）、便宜（Cheap）、可信（Convincible）。天基观测和地基观测是相辅相成的，两者密切地结合才能形成对空间环境的天地一体化的综合观测。