文/ 小超

▲ 帕克太陽探測器發(fā)射

人類很早就注意到了太陽上的黑子、地球上的極光這些與空間天氣有關(guān)的顯著自然現(xiàn)象。在中國古代的天文記錄和地方志中，就有不少關(guān)于太陽黑子和極光的記載。在西方世界，印第安人將極光視為天空中舞動的精靈，而中世紀(jì)的歐洲人則認(rèn)為極光是來自神的標(biāo)志。到了近代，天文學(xué)家和地球物理學(xué)家們開始對這些現(xiàn)象背后的成因與聯(lián)系進行探究。而在航天時代開始后，人們才逐步搞清了太陽活動現(xiàn)象以及從太陽到地球的整個因果鏈概貌，并開始關(guān)注這些現(xiàn)象對人類技術(shù)系統(tǒng)與社會運行的影響，形成了空間天氣學(xué)這門學(xué)科。近年來，國際上的主要大國都加強了多空間天氣基礎(chǔ)研究與業(yè)務(wù)預(yù)報的投入，力爭更好的應(yīng)對惡劣空間天氣事件的潛在威脅。

空間天氣學(xué)科的產(chǎn)生

▲ STEREO衛(wèi)星能從不同角度對太陽進行觀測

1859年，英國天文學(xué)家卡靈頓見證了一次巨大的耀斑現(xiàn)象的發(fā)生，太陽上一個區(qū)域突然增加的光芒燒毀了他用來投影觀測太陽的底板。從我們今天的認(rèn)識來看，卡靈頓目睹的是能夠通過肉眼識別出來的“白光耀斑”，屬于耀斑家族中威力最大的一種。當(dāng)時，英國皇家學(xué)會剛剛安裝了能夠自動測量記錄地球磁場變化的儀器。英國地球物理學(xué)家鮑爾弗·斯特沃特（Balfour Stewart）通過分析地磁數(shù)據(jù)，將地球磁場的變化和卡靈頓觀測到的太陽耀斑聯(lián)系了起來，開創(chuàng)了日地物理研究的先河。在此之前，天文學(xué)家和地球物理學(xué)家只關(guān)心太陽和地球本身的變化，而在這次被稱為“卡靈頓事件”的太陽風(fēng)暴過程中，科學(xué)家們開始在太陽活動和地球空間環(huán)境的變化間建立聯(lián)系。

根據(jù)目前科學(xué)家們的研究成果，造成地球磁場發(fā)生劇烈變化的是太陽上爆發(fā)后傳播到地球附近的日冕物質(zhì)拋射。日冕物質(zhì)拋射和太陽耀斑是經(jīng)常伴隨出現(xiàn)的現(xiàn)象，有時被共同稱為“太陽風(fēng)暴”，但這兩者并不相同。在1859年的那次事件中，地球上的電報操作員們感受到了這些現(xiàn)象對他們的影響，來自天空的神秘電流使得電報線路無需外接電源就能供電。但在當(dāng)時，對于太陽爆發(fā)與人類活動之間的關(guān)系與影響，多是偶然的、獵奇式的記錄。

在1957 年蘇聯(lián)發(fā)射第一顆人造衛(wèi)星、開啟太空時代后，人們通過航天器進行的遙感與局地觀測，對太陽活動與地球空間環(huán)境間的聯(lián)系開始有了比較系統(tǒng)正確的認(rèn)識。同時，對太空的開發(fā)利用也對空間環(huán)境研究提出了現(xiàn)實的需求：航天器能在太空中連續(xù)穩(wěn)定工作、航天員能在太空中安全健康生存，都需要對空間環(huán)境變化的規(guī)律有深入認(rèn)識。在探測手段和應(yīng)用需求的互相促進之間， “空間天氣”這一概念在上世紀(jì)七八十年代被正式提出?？臻g天氣，指“太陽大氣、行星際空間、地球磁層、電離層和熱層中，可能對天基和地基技術(shù)系統(tǒng)產(chǎn)生危害，進而影響人類生存和健康的狀態(tài)。”到上世紀(jì)九十年代，空間天氣的重要性開始在國際上得到認(rèn)同，各個國家開始提出實施各自的空間天氣研究計劃。

▲ 尤利西斯探測器對不同緯度太陽風(fēng)的觀測

美國的空間天氣研究與預(yù)報

作為航天領(lǐng)域的領(lǐng)頭羊，美國對空間天氣現(xiàn)象的基礎(chǔ)研究和空間天氣的業(yè)務(wù)預(yù)報開展得較早，目前處于領(lǐng)先地位。作為空間天氣探測的基本手段，美國牽頭研發(fā)了SOHO、ACE、WIND、STEREO、SDO等空間探測器。這些探測器極大地推進了我們對太陽活動及其對地球影響的認(rèn)識，也形成了我們監(jiān)視與預(yù)報空間天氣現(xiàn)象的基本能力。SOHO和ACE衛(wèi)星于上世紀(jì)九十年代中葉被部署到日地L1點，能夠分別通過遙感與局地探測的方式對太陽風(fēng)暴作出觀測。這兩個衛(wèi)星的觀測數(shù)據(jù)奠定了我們對目前對空間天氣全景的認(rèn)識，理清了耀斑與日冕物質(zhì)拋射的關(guān)系。而進入新世紀(jì)后發(fā)射的STEREO與SDO探測器，則進一步增進了我們對太陽風(fēng)暴產(chǎn)生與傳播的認(rèn)識。而去年剛剛升空、正在逐步調(diào)整軌道的帕克太陽探測器，則有望揭開日冕加熱和太陽風(fēng)加速原理之謎，為準(zhǔn)確進行空間天氣預(yù)報提供至關(guān)重要的理論基礎(chǔ)。

▲ 美國空軍557聯(lián)隊空間天氣預(yù)報部門

▲美國空間天氣預(yù)報中心

▲歐洲空間天氣協(xié)調(diào)中心

美國在1995年就出臺了第一個空間天氣十年行動計劃，并在進入21世紀(jì)后牽頭開展了“與星同在”國際合作計劃。近年來，美國又制定了多項政府層面的頂層設(shè)計文件：2015年，美國出臺了《國家空間天氣戰(zhàn)略》和《國家空間天氣行動計劃》；2016年由奧巴馬總統(tǒng)簽署了《協(xié)調(diào)努力為國家做好空間天氣事件的準(zhǔn)備》的總統(tǒng)行政命令；今年3月，特朗普政府又出臺了新版的《國家空間天氣行動計劃》。這些政府文件與科學(xué)家們倡導(dǎo)的研究計劃既相互配合，又存在差異?？茖W(xué)家們的研究計劃是以解決科學(xué)問題、獲得科學(xué)發(fā)現(xiàn)為導(dǎo)向，通過總結(jié)科學(xué)目標(biāo)提出進一步研究的方向，主要由大學(xué)或科研機構(gòu)中的科學(xué)家們完成。而政府部門的有關(guān)計劃則是以提升形成應(yīng)對空間天氣事件的實際能力為導(dǎo)向，通過總結(jié)行動重點為政府各個部門制定行動綱領(lǐng)，將科學(xué)家門已經(jīng)和將要獲得的科學(xué)認(rèn)識轉(zhuǎn)化為方案、措施與防災(zāi)減災(zāi)的基礎(chǔ)設(shè)施，需要由政府官員、空間天氣科學(xué)家和有關(guān)系統(tǒng)的科技人員共同完成。

目前，美國對于空間天氣的基礎(chǔ)研究力量遍布斯坦福大學(xué)、喬治·梅森大學(xué)、密歇根大學(xué)、阿拉巴馬大學(xué)等知名學(xué)府。NASA所屬的戈達德飛行中心、噴氣動力實驗室，以及美軍的空軍實驗室、海軍實驗室等，也有相關(guān)的研究力量。日常的民用空間天氣監(jiān)測與預(yù)報業(yè)務(wù)，主要由美國國家大氣海洋管理局（NOAA）下屬的空間天氣預(yù)報中心（SWPC）進行。而軍隊的空間天氣業(yè)務(wù)，則主要由奧法特空軍基地的557聯(lián)隊負(fù)責(zé)。此外，還有一些跨機構(gòu)的研究組織，能夠協(xié)調(diào)軍方、民間的研究力量共同對有關(guān)問題進行攻關(guān)，獲得軍民融合共享的研究成果。

歐洲的空間天氣研究與監(jiān)測

由歐洲國家組成的歐空局在空間天氣研究方面也有不少作為。上世紀(jì)90年代，歐空局曾經(jīng)深度參與到了SOHO探測器的研制中，負(fù)責(zé)重要科學(xué)儀器的設(shè)計與制造。同時，由歐空局牽頭研發(fā)的尤利西斯探測器，飛出了地球公轉(zhuǎn)的黃道面，帶來了行星際空間在不同緯度的太陽風(fēng)結(jié)構(gòu)信息。太陽活動存在一個11年的周期，在這11年中，太陽黑子的數(shù)量會經(jīng)歷一個先增加、后減少的過程。太陽黑子是太陽強磁場集中的區(qū)域，黑子數(shù)量的變化會使太陽磁場的整體結(jié)構(gòu)發(fā)生變化，進而影響與它共生共存的太陽風(fēng)的結(jié)構(gòu)。在“尤利西斯”工作近二十年所獲得的三個完整的環(huán)日軌道的數(shù)據(jù)中，有兩軌處于太陽活動較弱的時期，一軌處于太陽活動較強的時期，從而使科學(xué)家們在對比分析中獲得了不同太陽活動條件下太陽風(fēng)特點的認(rèn)識，為更好地做出空間天氣預(yù)報打下了基礎(chǔ)。

目前，歐空局通過“太空態(tài)勢感知”項目中的空間天氣部分，為歐洲各國提供空間天氣的監(jiān)測與預(yù)警服務(wù)，其工作實體為設(shè)在比利時的空間天氣協(xié)調(diào)中心。這個中心的主要任務(wù)是利用歐空局及其國際合作方豐富的空間天氣探測數(shù)據(jù)，為歐洲用戶提供空間天氣服務(wù)。此外，歐洲各國自己的氣象機構(gòu)也開始了空間天氣預(yù)報服務(wù)。例如，英國氣象局就利用幾種數(shù)值模式開展空間天氣預(yù)報服務(wù)。總部位于英國的勞伊德保險公司，在2010年發(fā)布了空間天氣的風(fēng)險報告，從保險業(yè)的角度對空間天氣的潛在威脅做了評估，開創(chuàng)了商業(yè)保險公司關(guān)注空間天氣的先河。

除了美國、歐洲外，日本、韓國、巴西等國家也開展了空間天氣方面的研究與預(yù)報活動。此外，國際上還發(fā)起了“國際空間天氣計劃協(xié)調(diào)組”（ICTSW）、“國際空間天氣監(jiān)測計劃”（ISWI）等機構(gòu)，協(xié)調(diào)全世界與空間天氣相關(guān)的研究、預(yù)報和數(shù)據(jù)交換工作。惡劣的空間天氣影響的是整個地球空間，因此應(yīng)對空間天氣所帶來的潛在危害也并非某一國或某一地區(qū)組織的事，需要全世界各個國家的通力合作。