王家敏

近二十年來(lái),科學(xué)家們逐漸證明了空間天氣變化和地球電磁災(zāi)害之間的聯(lián)系。他們頻繁警示,如果不采取行動(dòng),包括太陽(yáng)風(fēng)暴在內(nèi)的各種空間天氣事件,將對(duì)人類(lèi)的社會(huì)生活帶來(lái)災(zāi)難性的破壞。

嚴(yán)重的空間天氣災(zāi)害本身是一種低概率的事件,它對(duì)高度現(xiàn)代化的社會(huì)(比如北美與歐洲)影響更加顯著。但隨著社會(huì)發(fā)展,一些發(fā)展中國(guó)家也開(kāi)始受到侵襲。

隨著中國(guó)社會(huì)經(jīng)濟(jì)的發(fā)展,以及航天活動(dòng)的增多,科學(xué)家們意識(shí)到,必須加強(qiáng)對(duì)磁暴、高能粒子等危害的預(yù)報(bào)能力。中國(guó)氣象局國(guó)家空間天氣監(jiān)測(cè)預(yù)警中心主任王勁松說(shuō),“為此,我們制訂了一系列策略,一方面向公眾傳播空間天氣的概念,另一方面通過(guò)積累案例尋找空間天氣事件對(duì)特定用戶(hù)的影響,并針對(duì)性地做出預(yù)案。”

期盼當(dāng)代“夸父”

包括中國(guó)在內(nèi),目前全球科學(xué)家的太陽(yáng)風(fēng)暴觀測(cè)與科研數(shù)據(jù)大都來(lái)自美國(guó)的三顆衛(wèi)星——SOHO、ACE和ISEE。它們處于地日引力平衡點(diǎn)——L1點(diǎn)上,這個(gè)最佳位置能24小時(shí)觀測(cè)太陽(yáng)風(fēng)暴變化與地球的實(shí)時(shí)反應(yīng)。

令科學(xué)家們擔(dān)憂(yōu)的是,ACE探測(cè)器正在失效;于1992年發(fā)射的SOHO也面臨退役。并且,它們搜集的信息也并不能做到完全、隨時(shí)共享——比如在2003年的美伊戰(zhàn)爭(zhēng)期間美國(guó)就暫停了對(duì)數(shù)據(jù)的開(kāi)放。

在此情況下,中國(guó)科學(xué)家開(kāi)始考慮一個(gè)新的觀測(cè)計(jì)劃。

2003年1月24日,在中國(guó)國(guó)家自然科學(xué)基金委地學(xué)部“關(guān)于推動(dòng)空間天氣研究座談會(huì)”上,北京大學(xué)地球與空間科學(xué)學(xué)院涂傳詒院士公布了一個(gè)名為“夸父計(jì)劃”的大膽構(gòu)想,提出要建立一個(gè)衛(wèi)星綜合觀測(cè)系統(tǒng),觀測(cè)空間天氣事件從太陽(yáng)到地球的整體、連續(xù)變化現(xiàn)象,提高空間天氣災(zāi)害預(yù)報(bào)的準(zhǔn)確度,服務(wù)于航天、通訊等高科技活動(dòng)。

在此之前,涂傳詒與北京大學(xué)地球與空間科學(xué)學(xué)院教授肖佐、中國(guó)東方紅航天衛(wèi)星公司總工程師張永維和中國(guó)科學(xué)院院士魏奉思進(jìn)行了將近一年的討論。這一計(jì)劃在那次會(huì)議上得到普遍的支持。

隨后,“夸父計(jì)劃”成為中國(guó)國(guó)家自然科學(xué)基金委支持的重點(diǎn)項(xiàng)目。

2007年9月,該計(jì)劃通過(guò)了國(guó)防科工委的相關(guān)評(píng)審,進(jìn)入工程立項(xiàng)階段。根據(jù)國(guó)防科工委建議,“夸父計(jì)劃”與中國(guó)科學(xué)院空間科學(xué)與應(yīng)用研究中心劉振興院士建議的“風(fēng)暴計(jì)劃”進(jìn)行了整合,最終形成了“夸父—太陽(yáng)風(fēng)暴、極光和空間天氣計(jì)劃”。

這一計(jì)劃鎖定在太陽(yáng)的深空探測(cè),將采用“L1+極軌”的全新協(xié)同軌道設(shè)計(jì),由一顆位于日地引力平衡點(diǎn)L1點(diǎn)上的衛(wèi)星“夸父A”和兩顆沿極軌共軛(南、北極)飛行的衛(wèi)星“夸父B1”“夸父B2”組成綜合觀測(cè)系統(tǒng),將用于連續(xù)監(jiān)測(cè)太陽(yáng)劇烈活動(dòng)及其導(dǎo)致的日地空間環(huán)境連鎖變化的全過(guò)程。

肖佐告訴《中國(guó)新聞周刊》,“夸父計(jì)劃”將對(duì)日地空間天氣系統(tǒng)的兩端——太陽(yáng)大氣和地球空間——進(jìn)行前所未有的時(shí)空連續(xù)、多層次的成像觀測(cè),“三顆衛(wèi)星能分別同時(shí)觀測(cè)太陽(yáng)風(fēng)暴的形成和地球的即時(shí)反應(yīng),這是以往的觀測(cè)衛(wèi)星難以做到的”。

2012年至2014年太陽(yáng)進(jìn)入活動(dòng)峰年,更多的太陽(yáng)風(fēng)暴將襲擊地球。因此,科學(xué)家建議“夸父計(jì)劃”三顆衛(wèi)星在這個(gè)時(shí)間內(nèi)發(fā)射,將能觀測(cè)到新的日地物理現(xiàn)象,進(jìn)一步揭示日地空間風(fēng)暴機(jī)理,監(jiān)測(cè)行星際擾動(dòng)傳播,為災(zāi)害性空間環(huán)境預(yù)報(bào)提供觀測(cè)數(shù)據(jù)。

認(rèn)識(shí)“空間天氣”

“在空間天氣預(yù)警方面,我們主要依靠國(guó)外的資料,這與中國(guó)相關(guān)的探測(cè)研究起步晚有很大關(guān)系。”中國(guó)科學(xué)院院士魏奉思告訴《中國(guó)新聞周刊》,發(fā)達(dá)國(guó)家的相關(guān)部門(mén)往往是主動(dòng)尋求預(yù)報(bào),但在中國(guó)由于實(shí)踐和認(rèn)識(shí)方面的原因,有些部門(mén)有可能對(duì)空間天氣災(zāi)害的預(yù)估過(guò)于樂(lè)觀。

美國(guó)是最關(guān)注空間天氣的國(guó)家之一。早在1970年代初,“空間天氣”(space weather)這一詞匯就出現(xiàn)在美國(guó)空間物理學(xué)家M.Dryer博士的《太陽(yáng)活動(dòng)觀測(cè)和預(yù)報(bào)》的序言中。美蘇爭(zhēng)霸中,美國(guó)在“空間疆域”的爭(zhēng)奪中投入巨大。冷戰(zhàn)結(jié)束后,空間天氣研究逐漸轉(zhuǎn)向和平應(yīng)用。1995年,美國(guó)制定國(guó)家空間天氣戰(zhàn)略計(jì)劃,“空間天氣”也迅速發(fā)展為一個(gè)相對(duì)新的科學(xué)領(lǐng)域。

美國(guó)宇航局2006年至2016年的戰(zhàn)略計(jì)劃中特別指出,“空間天氣對(duì)人類(lèi)的危害越來(lái)越明顯,因此認(rèn)識(shí)并降低空間天氣對(duì)人類(lèi)的危害效應(yīng)迫在眉睫?！?/p>

魏奉思是中國(guó)較早關(guān)注“空間天氣”的科學(xué)家之一。他1991年就提出建立“空間天氣和氣候?qū)W”的問(wèn)題應(yīng)提到空間物理學(xué)家們的議事日程;1993年更指出:“空間天氣學(xué)必將在人類(lèi)跨世紀(jì)的步伐中應(yīng)運(yùn)而生?！钡袊?guó)社會(huì)對(duì)空間天氣科學(xué)重要性的認(rèn)識(shí)以及在國(guó)家行為方面相對(duì)于美、歐國(guó)家滯后,尚處于起步發(fā)展階段。

1994年開(kāi)始的“子午工程”是有關(guān)空間天氣研究的一項(xiàng)國(guó)家級(jí)工程項(xiàng)目。這一工程在2009年～2010年間正式建成,全稱(chēng)為“東半球空間環(huán)境地基綜合監(jiān)測(cè)子午鏈工程”,旨在了解東半球120°E子午鏈上空間環(huán)境變化規(guī)律,逐步弄清其120°E子午鏈區(qū)域性環(huán)境特征與全球環(huán)境變化間的關(guān)系,為研究與預(yù)測(cè)空間天氣變化提供地基觀測(cè)數(shù)據(jù)。航天部門(mén)成功實(shí)施的地球“雙星”計(jì)劃則承擔(dān)了一部分空間數(shù)據(jù)觀測(cè)任務(wù)。此外,“夸父”空間天氣探測(cè)計(jì)劃也正進(jìn)入工程立項(xiàng)的推動(dòng)之中。據(jù)悉,中國(guó)也有一些衛(wèi)星搭載著監(jiān)測(cè)空間環(huán)境變化的儀器,提供部分觀測(cè)數(shù)據(jù)。

包括這些項(xiàng)目在內(nèi),科學(xué)家們正在建議中國(guó)應(yīng)構(gòu)建空間天氣保障體系。魏奉思告訴《中國(guó)新聞周刊》記者,《空間天氣保障能力發(fā)展戰(zhàn)略建議》已經(jīng)呈送,其中空間天氣保障體系建設(shè)“三步走”的戰(zhàn)略步驟:夯實(shí)基礎(chǔ),聚焦近地空間(2009-2015);跨進(jìn)前列,建設(shè)地球空間天氣保障體系(2016-2020);引領(lǐng)發(fā)展,建設(shè)日地系統(tǒng)空間天氣保障體系(2021-2030)。

魏奉思說(shuō),當(dāng)前的核心是加速推進(jìn)“夸父計(jì)劃”和在“子午工程”一期基礎(chǔ)上加速建設(shè)子午工程二期,“我們希望從起步開(kāi)始有一個(gè)好的國(guó)家體制和機(jī)制,可以從成立國(guó)家空間天氣計(jì)劃協(xié)調(diào)小組做起,少走分散、重復(fù)的發(fā)展彎路?！?/p>

人類(lèi)“與星同在”

人們往往采取國(guó)際合作的方式完成龐大的空間科研計(jì)劃,中國(guó)也不例外。2006年1月12～13日,“夸父計(jì)劃”國(guó)際研討會(huì)在德國(guó)林道(Lindau)召開(kāi),進(jìn)一步明確了有效載荷的配置、技術(shù)指標(biāo)以及國(guó)際合作的途徑。2007年1月7日,中國(guó)航天局、歐洲空間局(ESA)、加拿大空間局(CSA)和英、法、德、意、比、奧等10個(gè)國(guó)家的空間探測(cè)部門(mén)的代表在三亞召開(kāi)了“夸父計(jì)劃”國(guó)際協(xié)調(diào)會(huì)議,確定了需要進(jìn)一步會(huì)談的問(wèn)題。

肖佐介紹,“一些歐盟、加拿大等國(guó)家和地區(qū)的科學(xué)家以個(gè)人名義表示要參加這一計(jì)劃。在科學(xué)儀器配置方案中,所有儀器都有國(guó)際合作。歐空局、加拿大航天局也表示出積極支持和合作意愿。”

“夸父計(jì)劃”同時(shí)也參與了美國(guó)宇航局(NASA)的“與星同在” (Living with a Star,LWS)國(guó)際計(jì)劃。這一計(jì)劃始于2001年,基本策略與地球上的天氣研究類(lèi)似?！拔覀儗l(fā)射一系列的‘氣象站,也就是觀測(cè)太陽(yáng)大氣不同方面的航天器。”項(xiàng)目負(fù)責(zé)人Guhathakurta說(shuō),“這一計(jì)劃目標(biāo)在于幫助人們了解太陽(yáng)的大氣,尤其是太陽(yáng)風(fēng)暴的預(yù)報(bào)方法?！?/p>

人類(lèi)的頭頂上有超過(guò)500顆現(xiàn)役衛(wèi)星正環(huán)繞地球運(yùn)行,保障人類(lèi)完成電視、廣播、電話(huà)、互聯(lián)網(wǎng)、GPS導(dǎo)航以及天氣預(yù)報(bào)工作,現(xiàn)在,是需要保障它們的時(shí)候了。 ★