空間天氣科學與有效和平利用空間

魏奉思

（中國科學院 國家空間科學中心 空間天氣學國家重點實驗室，北京 100190）

0 引言

隨著人類文明的進步和航天科技的發展，人類社會進入空間時代，有效進出空間、和平利用空間、保障空間安全成為經濟社會可持續發展的重要驅動力。空間天氣科學作為認知空間、服務社會的一門交叉學科于20世紀90年代應運而生。它有如旭日東升，迅速成為國際科技活動熱點之一，得到快速發展[1]。

空間環境分為日球空間環境、日地空間環境和地球空間環境，而地球空間環境根據高度又可以劃分為地表大氣、臨近空間和近地空間環境。空間 環境按其成分性質包含電磁輻射、帶電粒子、中性大氣和等離子體，以及空間碎片與微流星體等。應特別指出的是，地球磁場是一種重要的地球空間環境，它在一定程度上為地球提供保護，使其免受高能帶電粒子輻射和太陽風等離子體流吹襲的威脅。

隨著20世紀50年代的人造衛星上天，人們開始了空間物理學的研究。到60～80年代，人們逐步認識到日地關系的重要性，由此開展了日地物理學的研究；至80～90年代，開展了日球（層）物理學的研究；90年代至今，人們認識到空間天氣對人類生存與發展活動的重要影響，開始了對空間天氣科學的研究。

本文首先對空間天氣科學的發展歷程和發展態勢進行分析，進而對有效和平利用空間與空間天氣科學的關系進行討論，最后對未來十年的學科發展進行展望，并給出我國具體行動的初步建議。

1 空間天氣科學的內涵及發展歷程

1.1 內涵

空間天氣科學是一門新興的前沿交叉科學。它以空間物理為學科基礎，與太陽物理、地球物理、大氣物理、等離子體物理等多學科交叉綜合，與通信/導航技術、跟蹤定位技術、電子技術、光電技術、成像技術等多種航空航天工程技術緊密結合。

空間天氣科學聚焦監測、研究、預報日地空間乃至太陽系中突發性的環境條件變化、基本過程、變化規律及其對天基、地基技術系統和人類健康與生命的危害效應。

空間天氣科學旨在探索空間天氣變化奧秘，減輕或避免空間天氣災害，保障人類空間活動安全以及有效和平利用空間，為人類社會全面進入空間時代的發展服務。

空間天氣科學也是一門關乎人類社會生存與發展的戰略科學，將為人類的經濟社會發展、科技進步和空間安全做出重要貢獻。

1.2 發展歷程

空間天氣科學的發展可以大致分為以下3 個階段，如圖1所示。

1）思考階段（1989—1994年）：該階段是基于空間天氣對人類活動產生的危害，有如1989年3月一次大的太陽風暴吹襲地球（磁暴指數Dst＜-589 nT），給航天、通信、導航帶來嚴重影響，特別是對加拿大電力系統的破壞，震驚國際社會，人們開始意識到除了地震、海嘯、颶風等傳統的重大自然災害外，還有一種非傳統的空間天氣災害，也會給人類的生存與發展帶來嚴重危害。這引發了科技發達國家的政治、軍事、工業和科技界人士對此進行思考和探索[2]。

2）國家行為階段（1995—2005年）：該階段是在對空間天氣災害思考和探索的基礎上，進一步認識到空間天氣對國家空間安全的影響，從而使空間天氣研究成為科技發達國家的一種國家行為受到關注[1-3]。

3）國際行為階段（2006年至今）：該階段是快速發展階段，世界各國不但對空間天氣災害及其對空間安全的影響進行研究，而且關注空間天氣對經濟社會發展的影響，且受到聯合國、世界氣象組織和國際科技界的普遍關注，成為一種國際行為。空間天氣科學開始進入空間時代，成為為有效和平利用空間服務的科學。

圖1 空間天氣科學發展歷程Fig.1 The development history of space weather science

1.3 蓬勃發展

進入21世紀，隨著世界航天大國開展航天活動的逐步增多和航天科技水平的提高，空間天氣科學得到了蓬勃的發展，主要表現為以下幾個方面：

1）成為國際科技活動的熱點之一

世界許多國家及國際組織相繼制定了國家空間天氣科學起步計劃，包括美國、日本、歐空局、俄羅斯、加拿大、德國、法國、捷克、丹麥、芬蘭、意大利、挪威、西班牙、瑞典、土耳其、英國、澳大利亞等。其中“國際與星同在”（International Living With a Star，ILWS）計劃[4]是一項規模宏大的空間天氣計劃，其目的是把日地聯結為一個系統，對關乎人類生存與發展的科學問題進行探測與研究，并把由此獲得的知識應用到將來地基、天基技術系統的設計和防護。

隨著人類空間活動的需求，空間天氣的探測和研究范圍逐步將日地空間天氣和整個太陽系的空間天氣結合起來；針對空間天氣關鍵科學問題，制定一系列衛星探測計劃。

2）以美國為代表的航天大國高度關注

作為世界航天強國，美國對空間天氣科學高度關注。美國航天戰略計劃（2007—2016）[5]的目標之一就是“認識太陽及其對地球和太陽系的影響”。美國白宮2010年6月通過評估、批準新制定的第二個國家空間天氣十年計劃[6]，對空間天氣基礎工作作出部署，該計劃是由商務部（DoC）、國防部（DoD）、交通運輸部（DoT）、內政部（DoI）、能源部（DoE）、國務院（DoS）、國家航空航天局（NASA）、國家科學基金會（NSF）八大部委聯合提出。美國減災委員會把空間天氣災害納入美國重大減災挑戰的十年計劃中。2011年春美國總統奧巴馬與英國首相卡梅隆會談，其中包括空間天氣研究與服務領域的合作，2011年秋正式實施。奧巴馬總統在 2012年早期，指示科技政策辦公室（OSTP）和國家安全官員“積極主動推進空間天氣減災的努力”[7]。

3）國際社會高度重視

聯合國關注空間天氣，2009年起支持“國際空間天氣起步計劃”，協調全球的空間天氣監測與研究等活動；世界氣象組織（WMO）2010年設立“空間天氣協調組”；國際科學組織設立空間天氣專題委員會；歐空局繼實施空間天氣計劃之后，于2010年主持制定空間態勢認知十年計劃，有13 個成員國參加；NASA 計劃發射5 顆衛星組成“飛船空間天氣站”，緊盯空間天氣變化；英國皇家工程院專門針對空間天氣災害提出了報告[8]，等等。

隨著SOHO、IBEX、STEREO 等系列空間天氣服務衛星的發射及在軌運行，美國初步具有對空間天氣的全球監測能力，如圖2所示。

圖2 空間天氣全球監測網示意圖Fig.2 The space-borne global system for monitoring space weather

2 空間天氣科學的發展態勢

隨著空間天氣科學的發展，它在經濟社會、科學技術、空間安全等方面的重要作用日益凸顯，其發展態勢可用如下“三器”來形象概括。

2.1 空間天氣科學正日益成為經濟社會發展的 “助推器”

空間天氣科學在經濟社會發展方面的作用主要表現在以下兩個方面：

1）應對空間天氣災害，保障經濟社會平穩運行

太陽風暴吹襲地球產生的電離層暴、電離層騷擾和電離層閃爍使通信、導航受影響。美國國家科學院2009年1月特別報告指出[9]：假如一個距離我們1.5 億km 之外的超強太陽風暴吹襲地球，如150年前發生過的Dst＜-1500 nT 的風暴，90 s 后導致整個美國東部地區停電，許多國家基礎設施將遭受不同程度的損毀，經濟損失可達1～2 萬億美元，恢復重建至少需4～10年。同時，歐洲、中國以及日本等地區或國家也都將遭受重創。在如此強的磁暴下，處于磁層的大多數衛星將會遭到相當程度的破壞，美國航天的直接經濟損失將高達2300 億美元。據初估我國也有千億元人民幣的巨大損失。統計上，幾乎每年都有重大空間災害性天氣事件發生。一個顯著的例證是2010年5月11日“殺手電子暴”導致美國ATT 公司的Galaxy-15 衛星（重 2 t，造價5 億美元）變成“僵尸衛星”。

對我國而言，20世紀90年代后人們才認識到，空間天氣常引發衛星故障，無線電短波通信中斷時有發生，導航定位誤差增加，電力系統也曾檢測到異常等。例如1998年10月，一次太陽風暴吹襲地球時，海南海口市記錄到的GPS 信號閃爍高達近20 dB，北方一次短波通信中斷長達17 h 等。因此，為了應對空間天氣的挑戰，我們應當成為有空間天氣知識和保障能力的國家！

2）服務有效和平利用空間，開拓經濟增長新領域

有效和平利用空間，是關系人類社會可持續發展的重大戰略方向之一，自人造衛星上天以來就一直受到國際社會的高度關注，其涉及的范圍十分廣泛。高度服務于經濟社會活動的空間技術系統都是在空間天氣環境中運行的，其效益的發揮都受到空間天氣的影響。關于空間天氣科學對經濟發展的重要性，歐空局在分析空間天氣計劃效益時作了很好的注釋[10]。歐空局報告指出，空間天氣計劃關系歐洲實體、政府、軍隊、跨國公司、中小企業和個人諸多用戶的多方面利益。從戰略利益上講，將提高歐洲工業、軍事、科學和技術的獨立性；從經濟利益上講，將提高用戶商業競爭力；從科學與技術方面講，可促進新產品和新興產業的發展；從教育方面講，將提高人們對科學、空間以及空間天氣將如何影響他們生活的理解。一些減災保險業也開始涉 足空間天氣相關的業務[11-12]。

2.2 空間天氣科學將是助力科技革命的“加速器”

有效和平利用空間將是新一輪科技革命的一個戰略新高地，需構建新的科學認知體系，即把人類的知識從地球實驗室向空間實驗室拓展，以及從碰撞系統向無碰撞系統拓展的知識體系，如圖3所示。這將是人們面臨的一項緊迫的戰略任務。傳統的碰撞、擴散、傳導、能量轉換等都是在以碰撞為主的體系中產生的，在以無碰撞為主的體系中，它們的概念受到挑戰。一系列國際科學計劃就此展 開[2-4,12-14]。

圖3 碰撞體系向無碰撞體系拓展Fig.3 Extension of the knowledge from collision system to collisionless system

空間天氣研究“向上看”將迎來里程碑式的發展，主要研究內容包括太陽風源區物理、日冕加熱、太陽風加速、能量粒子的加速和傳輸、太陽大氣中過渡區物理等；“向下看”成為學科發展的新熱點，把地球的低層大氣、中高層大氣和磁層作為一個耦合系統來研究，特別是地球天氣/氣候與空間天氣/氣候的關系研究。空間天氣的科學探索向廣度、深度進軍，帶動新技術發展，例如太陽探針計劃將帶動新信息技術、新空間平臺、新探測技術等航天技術的發展以及新效應的發現，促進新一輪科技革命多元化發展。

目前，空間天氣科學的發展仍面臨著一系列的挑戰[3]，包括：了解日地系統不同區域間的耦合過程，構建空間天氣整體變化過程理論框架；了解地球空間系統各圈層間的耦合過程，實現近地空間環境的數字化建模；發展日地系統過渡區物理學，拓展從碰撞到無碰撞的新知識體系；聚焦磁重聯、粒子加速、湍流、波-粒相互作用等基本過程，尋求概念、理論與方法上的新突破；構建空天環境科學認知體系，開拓多學科交叉新領域等。由于日地系統5 個物理性質不同的區域的特殊條件，復雜的場、波和粒子多種物質形態、多種時空尺度間的相互耦合作用，地球上無法模擬，傳統的經典概念如擴散、傳導、能量轉換以及相互作用等在無碰撞系統受到挑戰。這就要求發展新的科學思想和理論認識，“這些認識不但代表了這個時代的偉大學術成就，而且能為將來利用和探索空間提供背景知識和預報能力”[5]。

2.3 空間天氣科學是關系空間安全的“倍增器”

空間安全成為國家安全的戰略制高點，在沒有空間安全就沒有領土、領空和領海安全的今天，“空間天氣影響陸地、海上、空中和太空中的所有軍事行動”。這是因為航天技術系統易受空間天氣影響，從而影響地面軍事系統功能的發揮。因此，成功的軍事行動取決于有效地把天氣信息集成到陸、海、空、天行動之中。空間態勢認知是成功發揮空間優勢的基礎，有效地描述環境影響是空間態勢認知的重要環節。西方國家把空間天氣看作軍力“倍增器”。空間天氣科學已成為關系國家空間安全的新興戰略科學。

3 有效和平利用空間

3.1 有效和平利用空間是人類社會發展的重要戰 略方向之一

隨著1957年人造衛星上天，聯合國于1959年成立和平利用外層空間委員會，此后各種政府的、民間的空間組織和團體紛紛加入，受到國際社會高度關注。該委員會現有67 個成員國，中國在 1980年成為正式成員。

中國高度重視和平利用空間。2009年11月發布的《讓科技引領中國可持續發展》報告指出：“要大膽探索空間、海洋和地球深部，實施好載人航天計劃和嫦娥計劃，有效進入并和平利用空間”；2012年6月，中國科學院第16 次院士大會指出：“要加強戰略高技術創新，發展空天戰略高技術，保證我國有效進出與和平利用空間，實現創新驅動發展，最關鍵的是要促進科技與經濟緊密結合”。有效和平利用空間也是我國高度關注的一個重要的戰略發展方向。

通過和平利用空間，可以開拓空間新興戰略經濟領域，例如向空間要能源、要通信、要制造、要“高鐵”、要環保，等等。它們將為經濟社會發展提供巨大增量，有助于把地球家園建設得更美好，保障地球人類的和諧與和平。這直接關系地球人類社會的可持續發展，由和平利用空間衍生的需求如 圖4所示。

圖4 和平利用空間涵蓋領域關系Fig.4 The extensions of the peaceful use of space

3.2 空間天氣科學為服務有效和平利用空間做出重要貢獻

有效和平利用空間面臨諸多科學與工程技術的挑戰，僅就空間天氣科學而言，仍然面臨空間天氣認知能力尚在起步的巨大挑戰，包括：對空間天氣本身的認知遠遠不足、對空間環境對技術系統的影響缺乏了解，極端條件下的空間天氣效應研究有待開展，空間天氣的預測與災害應對能力剛剛起步，空間技術系統的長壽命、高可靠和效益最大化等問題遠未解決，和平利用空間的基礎科學認知體系還沒有建立，科學認知的缺失給技術系統帶來不應有的損失時有發生，等等。

構建和平利用空間的科學認知體系，需要了解諸如空間天氣對中長期軌道預報精度的影響，對系統設計和飛行的影響，以及超高聲速、超高溫等未知效應、過程與防護。這方面的深入研究涉及多學科交叉和多技術綜合，通過二者前沿結合，有望催生新理論、新概念、新思路、新戰略。

通過為和平利用空間系統提供科學認知輸入以及突破效益最大化瓶頸等工作，將有效推動和平利用空間的步伐向前邁進。特別是，通過科學前沿創新，解決多學科交叉認知體系、數字化建模平臺、集成預報系統、效應與防護、和平利用空間輔助決策系統等問題，預期將對驅動空間技術、空間應用和空間安全等方面的發展，以及提供巨大經濟增量做出重要貢獻，如圖5所示。

圖5 科學創新驅動發展架構Fig.5 The framework of the development driven by science innovation

4 我國未來十年展望

4.1 空間天氣科學是有基礎在未來十年進入國際 先進國家之列的學科之一

過去十年，我國通過地球雙星衛星計劃的成功實施、子午工程建成[15]，一些亮點研究站上國際科學前沿舞臺，一批實驗室或團隊正逼近國際一流實驗室的行列以及牽頭推動地基與研究方面的國際計劃，等等。

在太陽活動、電離層天氣以及空間環境的預報方面，除中國科學院、中國電子科技集團22 所等已有較長期的發展外，國務院2002年批準在中國氣象局成立“國家空間天氣監測預警中心”，負責空間天氣監測、預報和服務，并且已和美國空間天氣預報中心一起成為世界氣象組織空間天氣國際協調組的聯合主席單位。該中心形成了系列化的空間天氣和空間碎片預報產品，包括定期產品（日報、周報、月報和年報）、不定期產品（現報、警報）和定制專報產品，具有多種預報在線發布能力，同時也為“神七”飛船的航天員出艙等重大航天活動，以及預報通信衛星故障等開展服務。我國空間天氣預報業務與服務水平正在逼近國際先進水平。

通過我國科技部、發展與改革委員會、中國科學院、中國氣象局和國家自然科學基金委員會等主持實施的一系列計劃或工程，我國空間天氣科學的能力建設正在得到不斷推進。

未來十年，通過加強天、地一體化的空間天氣（環境）監測體系建設，提升日地系統空間天氣整體變化過程的認知水平，發展各類精細、可靠、實變的空間天氣模式，改善空間天氣預報業務與服務能力，構建國家空間天氣保障體系與服務和平利用空間體系等建設，將實現一系列重大突破，使我國成為有空間天氣知識、空間安全保障及和平利用空間能力的國家，進入國際一流國家之列。

4.2 空間天氣科學的發展將為人類社會的發展做出越來越大的貢獻

一是中國積極與華人科學家一道推動聯合國屬下機構設立“國際空間天氣科學與服務委員會”。組建該委員會的目的是協調全球有關科學家（以及國家和地區）在發展空間天氣科學與應用服務領域的努力，更科學、更有效地組織和利用全球的資源為世界各地區和國家有效和平利用空間服務。“此次倡議更是華人科學家責任與貢獻的體現，將是華人科學家對世界的又一重大貢獻”[16]。

二是中國牽頭實施國際空間天氣子午圈計劃。通過實施該計劃，把東半球120°E 和西半球60°W這個子午圈上國家和地區的地基觀測力量組織起來開展空間天氣研究。這個計劃已受到世界范圍空間科學家的廣泛響應和高度評價。我國政府高度關注，已將其作為國家科技部的國際重大合作項目予以實施推進。

三是由我國空間天氣學國家重點實驗室、北京天文臺、國家空間天氣監測預警中心等20 個科研團體聯合牽頭正在建議和組織實施《國際空間天氣預報前沿計劃》。該計劃主要目標是推進全球預報監測網、全球信息共享網和全球預報會商網的建設，建立起空間天氣的全球科學預報體系，更好地服務人類社會發展。相關建議所表達的是中國科學家應盡一份國際責任的擔當，也標志著中國科學家走上國際科學前沿舞臺，做出越來越大貢獻的一種自信！

5 結束語

空間天氣科學的發展將對有效和平利用空間，對經濟社會、科學技術和國家安全做出重大貢獻，為此建議：

1）國家應該加強發展我國空間天氣科學的戰略布局，制定和實施“國家空間天氣十年計劃”，這是建設空間強國的時代需要。

2）國家應大力提升空間天氣科學服務有效和平利用空間的創新能力和水平，為建設空間強國、提升國家經濟增量做貢獻，制定和實施“空間天氣科學服務和平利用空間國家專項”，這將是落實國家創新驅動發展戰略的一項重要舉措。

通過相關計劃和專項的實施，實現我國空間天氣科學跨越式發展，將為服務國家有效和平利用空間、倍增國家空間安全做出重要貢獻。

（References）

[1]魏奉思, 于晟.為人類進入空間時代保駕護航的科學[N].科學時報, 2009-03-16(A4)

[2]Office of the Federal Coordinator for Meteorological services and supporting research(OFCM).The National Space Weather Program∶the strategic plan, FCM-P30-1995[R], 1994-10.http∶//www.ofcm.gov/mswp-sp/text/a-cover.htm

[3]Solar and Space Physics Survey Committee, Space Studies Board, Division on Engineering and Physical Sciences, National Research Council.The Sun to the Earth and beyond∶a decadal research strategy in solar and space physics[M].Washington D.C.∶The National Academies Press, 2003

[4]NASA Goddard Space Flight Center.Living with a star∶a program of the NASA[EB/OL].[2000-08-22].http∶// lws.gsfc.nasa.gov/index.html

[5]NASA.Science plan for NASA’s Science Mission Directorate 2007-2016[R/OL].http∶//nasascience.nasa.gov/ about-us/science-trategy/science_plan07.pdf

[6]Office of the Federal Coordinator for Meteorological Services and Supporting Research.The National Space Weather Program∶the strategic plan, FCM-P30-2010[R], 2010-06

[7]Showstack R.White House and Agencies focus on space weather concerns[J].EOS, Transactions American Geophysical Union, 2012, 93(25)∶235-236

[8]Royal Academy of Engineering.Extreme space weather∶impacts on engineered systems and infrastructure, ISBN1-903496-95-0[R/OL], 2013-02.http∶//www.raevg.org.UK/ spaceweather

[9]National Research Council.Severe space weather events∶understanding societal and economic impacts [EB/OL].Washington D.C.∶Committee on the Societal and Economic Impacts of Severe Space Weather Events., 2008.http∶//www.nap.edu/download.php?record_id=12507

[10]Rodger D J, Murphy L M, Dyer C S.Benefits of a European Space Weather Programme, DERA/KIS/ SPACE/TR000349, ESWPS-DER-TN-0001[R].Issue 2.1, 2000-12-19

[11]Lloyd’s 360°Risk Insight.Space weather, its impact on Earth and implication for business[G].London, 2010

[12]National Science and Technology Council, Subcommittee on Disaster Reduction(SDR).Grand challenges for disaster reduction∶space weather implementation plan[R/OL].http∶//www.sdr.gov/docs/185820_Space_Final.pdf

[13]NASA.2006 NASA strategic plan, NP-2006-423- HQ[R/OL], 2006.http∶//www/nasa.gov/pdf/142302main_ 2006_NASA_Strategic_plan.pdf

[14]NASA.Heliophsics∶the solar and space physics of a new era, NP-2009-08-76-MSFC 8-402847[R], 2009

[15]Chi Wang.New chains of space weather monitoring stations in China[J/OL].Space Weather, 2010, 7(3).http∶//www.agu.org/journals/spaceweather

[16]孫愛民.空間天氣科學大會華人科學家共同發起倡議∶建議聯合國設相關專門組織[N].中國科學報, 2013-11-13(頭版)