飛向太空，探索空間環境

王赤

子午工程是我國空間天氣領域第一個國家重大科技基礎設施項目，也是國際上被譽為“雄心勃勃、影響深遠、令人震撼”的大科學工程。這樣的一條子午鏈將對我國空間天氣基礎研究及預報的發展起到舉足輕重的作用，為提升我國空間科技創新能力、保障空間活動安全、增強我國在國際空間科學界的話語權做出貢獻。

——空間物理學家，中國科學院院士 魏奉思

子午工程為中國空間科學搭起了一座長約3000千米的“長城”。它可以幫助科學家把地球表面、中高層大氣、電離層、磁層，乃至十幾個地球半徑以外的行星際空間環境一次性“盡收眼底”。《探索空間天氣的奧秘》一書詳細介紹了空間天氣、太陽風暴、子午工程、空間天氣預報等基本概念，帶領大家走進“遠在天邊、近在咫尺”的空間天氣奇妙世界，值得細細品讀。

——空間天氣學國家重點實驗室副主任、研究員 馮學尚

三個太陽在萬有引力的作用下做著變幻莫測的運動，不知道哪一天太陽就不再升起，也不知道哪一天會三日凌空。文明在極寒和極熱交替的災難中一次一次地毀滅，又一次一次地重生。文明的參與者頑強地探索著三體問題的解，竭盡全力地維系著文明。當得知地球人類所處的太陽系是如此適宜生存時，他們就組建了龐大的宇宙艦隊，朝這個世外桃源飛奔而來。這是科幻小說《三體》描述的文明受環境所迫和不同文明之間相互威脅的場景，著實讓讀者為人類的命運捏了一把汗。

雖然不用擔心三日凌空，但人類賴以生存的地球能否永保平安呢？在地質變遷的歷史長河中，6500萬年前的生物大滅絕，就像發生在昨天一樣。地球的磁場和大氣避免了人類遭受太陽風的直接吹襲。但有研究表明，地磁場在過去200年間減弱了15%。如果哪天地磁場消失了，人類還能在這里生存嗎？如果全球升溫持續，海平面上升2米，可供人類居住的地方就不多了。如果來一次行星撞擊地球，情況將更糟糕。這樣的危險不勝枚舉。在茫茫宇宙中，地球只是個彈丸之地。我們不能將人類的命運永遠維系在這么小的球體上。

暫且不考慮人類面臨的這些威脅。從古至今，探索浩瀚的太空是人類共同的夢想。宇宙究竟有多大？宇宙是如何起源的？人類是如何起源的？有沒有外星人？這一連串的問題，吸引著我們“飛”向太空。

俗話說“朝霞不出門，晚霞行千里”。出門遠行，要先看看天氣如何。在進入太空之前，請先看看空間天氣如何。因為太空并不空。那里有強烈的X射線，有可怕的紫外線輻射，有以接近光速運行的高能粒子，有比子彈還厲害萬倍的空間碎片，兇險異常。從1957年蘇聯發射第一顆人造地球衛星開始，人類已經將6000多個航天器送入太空。盡管很多航天器都針對空間環境采取了嚴密的防護措施，但各種異常事件還是頻頻發生。深層充電、碎片撞擊、氧原子剝蝕、單粒子翻轉、電弧放電等，是航天器常常遇到的問題。不少衛星因為惡劣的空間天氣而損毀。對美國國家航空航天局和美國空軍發射的航天器的研究表明，大約有20%～25%的航天器故障與空間天氣有關。所以，空間環境和空間天氣是航天器設計、運行必須考慮的重要因素。

拋開太空旅行不說，人類的生產生活也受到來自空間天氣的影響。人們日常使用的無線電通信、衛星導航往往依賴無線電波在電離層中的傳播或者反射。太陽活動導致的電離層擾動必然會影響電波的傳播和反射特性，影響無線電通信信號的穩定性和可使用的頻帶寬度，影響衛星導航的精度，甚至可能導致通信和導航設施失效。可以想象，在自動駕駛技術普及的將來，交通事故的罪魁禍首或許就是災害性空間天氣。

1989年的“魁北克事件”，太陽活動所導致的感應電流致使變電站被燒毀，600萬人被寒冷和黑暗折磨了9個小時，造成幾千萬美元的損失。1859年，發生了一次太陽風暴，是一名叫卡林頓的科學家首先觀測到的，故名“卡林頓事件”。這次事件造成“北半球的電報系統幾乎完全癱瘓”，它的強度是1989年那次太陽風暴的3倍。而最近科學家發現近10000年以來最強的太陽風暴發生在我國唐朝時期，其強度是“卡林頓事件”的2倍，是“魁北克事件”的6倍。可這樣一次超強的太陽風暴，僅僅在《舊唐書》里找到了幾十個字的記載：“東方月上有白氣十余道，如匹帛……三更后方散。”這里說的白氣就是極光。在長安城里看到極光當然是破天荒的事，但其影響無非是讓人們感受到兇兆以致恐慌。通過三次事件的對比可以看出，隨著高技術系統的應用，空間天氣對人類活動的影響越來越深遠。如果唐朝的那次太陽風暴發生在今天會怎樣？那將可能摧毀許多人造衛星，破壞無數個變電站，使我們的社會陷入極度混亂。這樣強度的太陽風暴是不是像行星撞擊地球那樣罕見呢？不見得。2013年7月22日，美國的衛星捕捉到了一次超級太陽風暴。太陽的巨大能量爆發導致日冕物質以大約每秒3000千米的速度從太陽噴發出來。如果此次爆發的時間提前9天，那么噴發的日冕物質將直接撞擊地球，產生的地磁暴強度不亞于“卡林頓事件”。國際空間研究委員會估計，這樣一個超級地磁暴造成的損失將高達數萬億美元，社會恢復正常的周期長達4～10年。這一次，地球僥幸躲過了！但如果我們對空間天氣不了解，不能很好地規避其影響，人類的文明就只能像三體文明一樣在僥幸中喘息。

空間環境監測是了解空間天氣的第一步。自從有人類文明以來，立足于地面的地基監測就開始了。近幾十年，隨著衛星的應用，對空間環境的天基監測也開展得如火如荼。美國、蘇聯、歐洲、日本等國家和地區發射了大量衛星，用于空間環境的探測與研究，也部署了復雜的地面觀測系統。我國科學家基于我國領土區域特征，結合空間天氣現象沿子午線傳播發展的特性，創造性地提出了東半球空間環境地基綜合監測子午鏈（簡稱“子午工程”）：沿東經120°和北緯30°部署地基觀測設備，開展對空間環境的連續監測。經過4年多的建設，子午工程于2012年竣工。通過5年多的科學運行，獲得了大量的監測數據，為科學研究和空間天氣預報業務提供了有力支撐，取得了可喜的成績。

子午工程的建成和運行，也使得空間天氣的概念越來越為普通民眾所熟知，全社會對空間天氣的重要性有了更深刻的認識。工程的建設和運行團隊抓住一切可能的機會，卓有成效地開展了空間天氣科普教育活動。子午工程科學運行中心、數據中心已經成了科普教育的前沿陣地。提出并領導建設子午工程的知名科學家，在一年一度的科普活動周中，面對社會大眾開展空間天氣專家科普講座，成效顯著。然而，以講座、參觀等形式開展的科普活動參與人數有限，為了激發公眾的科學意識，進一步提升公眾對空間天氣的認知度，我們借浙江教育出版社組織編寫“中國大科學裝置出版工程”科普叢書的機會，編寫了本書。本書對空間天氣的基本概念做了簡單解釋，對子午工程的科學構思、技術實現和運行能力做了較為全面的介紹。空間天氣是20世紀90年代提出來的新概念，空間天氣學科剛剛起步，還需要一代又一代的科學家去開拓探索。如果本書能吸引一些熱愛科研的年輕人加入到我國空間物理、空間天氣領域的科研隊伍中來，也是一件很有意義的事。