空间天气学十问答

一、什么是空间天气学(魏奉思中科院空间中心)二、空间灾害性天气对人类航天活动有什么影响(赵华中科院空间中心、朱文明航天工业总公司501部)三、空间灾害性天气对人类通信、导航活动有什么影响(郭兼善中科院空间中心、吴健信息产业部22所)四、空间灾害性天气对人类地面技术系统(电力、输油(气)和资源等)和生态环境有什么影响(汤克云中科院地质地球物理所、焦维新北京大学)五、空间天气学的基本问题是什么(魏奉思中科院空间中心)六、如何监测空间天气的变化(焦维新北京大学、王家龙北京天文台、万卫星武汉物理与数学所、徐寄遥中科院空间中心)七、空间灾害性天气变化是如何发生的(肖佐北京大学、王家龙北京天文台八、目前关于空间灾害性天气变化的预报能力如何(王家龙北京天文台、高玉芬国家地震局地球所)九、国际空间天气研究的态势如何(冯学尚中科院空间中心、张贵银总参大气所)十、我国在推动空间天气学方面正在作出哪些努力(于晟国家基金委地学部、朱志文国家基金委地学部)资料:重要的空间灾害性天气事件简介(冯学尚中科院空间中心)一、什么是《空间天气学》魏奉思中国科学院空间科学与应用研究中心,空间天气研究实验室千百年来,人们就知道,狂风暴雨、电闪雷鸣、洪涝、水旱,地球上这些恶劣的天气变化给人们的衣、食、住、行和生产活动带来灾难.
地球20-30公里以上的高空,甚至千万公里的空间(或称太空),也存在恶劣的空间天气变化.
例如,当太阳上高温、高超音速的物质喷发所形成的太阳风暴吹过地球,有时会使卫星失效、提前陨落、通信中断、导航、跟踪失误、电力系统损坏以及人的健康与生命带来严重危害,却是近2-30年来才逐步认识到的新事实.
我们现在知道,从太阳到地球这个日地空间环境与人类生存和发展息息相关.
它由太阳大气、行星际介质、地球的磁层、电离层和中高层大气所构成.

这个空间环境自1957年人造卫星上天,人类的航天、通信、导航以及军事活动等从地表扩展到成百、上千公里的空间,成为人类活动的重要场所;它的高高度、高真空、微重力、强辐射、高电导率等独特的环境条件既为人类发展提供丰富的资源,又为航天、通信、资源探测、军事等活动提供地面不可能有的便利;它阻止和吸收来自太阳的X射线、紫外线、高能带电粒子以及超音速的太阳风暴对地球人类的直接轰击,是人类生存的重要保护层.
然而"水可载舟也可覆舟",常常出现的恶劣空间天气变化也给人类的高科技活动带来如前所述的严重危害.
太阳活动控制着它的喜怒哀乐.
什么是空间天气学呢它是专门研究和预报从地球20-30公里之上直到太阳这一日地空间环境中的灾害性天气变化规律,减轻或防止空间灾害,为人类活动服务的学科(discipline).
用科学的术语来表述,它是一门正迅速发展的把日地物理科学与地面和空间技术的应用紧密结合在一起的学科.
它是一门多学科、多技术领域高度交叉综合的跨世纪的新学科.
下面就其产生背景、基本内涵和人们的认识作一简要介绍.
科学背景自1957年人造卫星上天,开辟人类进入空间时代新纪元以来,国际科联相继成立了空间研究委员会(COSPAR)和日地物理科学委员会(SCOSTEP),许多国家成立了国家级委员会.
通过广泛的国际合作,对地球大气层之外的广大空间,特别是对日地空间系统,发射了上百颗科学卫星,建立了庞大的地面监测系统,实施了一系列重大的国际合作计划,如"日地物理计划"(ISTP)和"日地能量计划"(STEP)以及"地球环境模型"(GEM)等,知道太阳风暴来源于太阳爆发活动的物质喷射,它的速度高达每秒数百公里至数千公里,它形成的太阳风暴吹过地球时,将会引起地球空间环境急剧的变化,地球二极高纬地区绚丽多姿极光的出现是它到地球的光学;地磁场发生称之为地磁暴的突然扰动;电离层通讯条件发生称之为电离层暴的恶劣变化;卫星轨道的大气加热,密度增加,发生所谓热层暴以及高能量电子的通量突然增强事件等.
这些现象都是相互有机联系的短期突发性现象,必须把太阳大气、行星际太阳风、地球空间的磁层、电离层、中高层大气作为一个有机耦合系统来加以探测和研究.
当今空间探测开始对日地空间环境进行全球三维结构和过程的探测;变化规律研究开始把日地空间环境作为一个有机系统,定量了解其间的因果关系,空间灾害性事件研究开始从定性阶段向定量阶段发展.
空间物理开始变成一门"硬"科学(Hardscience).
科学上40余年的集累为空间天气学的产生奠定了必备的科学基础;社会需求随着人类进入二十一世纪高科技时代,日地空间环境中恶劣的天气条件常常给空间和地面的高科技系统,造成空间灾害.
自1989年3月发生特大的空间灾害性事件以来,几乎每年都要发生重大的空间灾害.
美国每年来自空间天气造成的损失都以数千万美元计(美国国家空间天气战略计划,1995),更不用说多颗通讯卫星的失效、甚至整个卫星的陨落.
我国风云一号气象卫星(1990年11月)、亚太2号通讯卫星(1995年8月)等的失败都因恶劣空间天气所致.
据美国和中国航天部门统计,卫星故障大约40%与空间天气条件有关.
人类进入高科技时代,许多军事系统和精密打击武器进入空间,空间成为重要的作战空间和保障条件,尤如从科索沃战争和海湾战争所看到的,局部战争也变成高科技战争.
显然,减轻或避免空间灾害带来的巨大损失,以及增强国家安全,所有这些来自社会发展的紧迫需求正是产生空间天气学的强大驱动力.

正是由于人类社会面临发展高科技的巨大需求(包括军事的需求在内),加之科学基础的基本具备,二者之结合,空间天气学尤如旭日东升,其发展之势必将磅礴于世.
当今,除美国领头之外,欧洲空间局、德国、法国、英国、俄罗斯、瑞典、挪威、丹麦、土耳其、意大利、捷克、澳大利亚、西班牙、加拿大、日本等国都相继制定了空间天气起步(创新)计划,空间天气的研究已成为全球科技活动热点之一.
基本内函《空间天气学》是空间天气(状态或事件)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,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、空间和地面技术系统与环境相互作用等)的高度综合与交叉.
空间天气学的基本科学目标,是把太阳大气、行星际和地球的磁层、电离层和中高层大气作为一个有机系统,按空间灾害性天气事件过程的时序因果链关系配置空间、地面的监测体系,了解空间灾害性天气过程的变化规律.
当前开展的主要科学课题涉及:太阳活动过程和物质输出结构研究;太阳风暴的形成、演化以及和地球的相互作用;地球空间系统的空间灾害性天气过程的因果链模式等方面.
这些都是空间科学中面临巨大挑战的难题.
空间天气学的应用目标,就是减轻和避免空间灾害性天气对高科技技术系统所造成的昂贵损失,为航天、通信、导航、资源、电力、生态、医学、科研、宇航安全和国防等部门提供区域性和全球性的背景与时变的环境模式;为重要空间和地面活动提供空间天气预报、效应预测和决策依据;为效应分折和防护措施提供依据;为空间资源的开发、利用和人工控制空间天气探索可能途径,以及有关空间政策的制定,等等.
认识过程国际上,空间天气(SpaceWeather)一词大约于70年代的科学文献中作为一种对未来科学的"畅想"而提出;美国94年11月正式发表了"美国国家空间天气战略计划",定义空间天气系指太阳上和太阳风、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及危害人类健康和生命的条件(Conditions);诺贝尔物理奖获得者、英国科学家T.
Hewish教授曾写道:看来当今日益增长的兴趣是在空间天气方面(1997年12月10日贺卡);国际空间研究委员会1996年7月14-21日第35届COSPAR会上D.
N.
Baker等科学家指出它的多学科性质,空间研究中偏应用的研究领域被广泛称作"SpaceWeather";美国宇航局专门成立了空间天气处(NASASpaceWeatherBureau),并在网上介绍(http://www.
SpaceWeather.
com):空间天气是一门相对新的科学领域;美国空间天气工作组主席H.
Koskinen:在国际日地物理委员会的Newsletter(Vol.
2,No.
1,Maceh,1999)上写到:SpaceWeather是一门正迅速发展的把日地物理科学与地面和空间技术应用紧密结合(Tying)在一起的学科(discipline).
在我国,90年代初我国科学家们便指出"空间天气学的时代已经来临","已提到议事日程"(自然科学学科发展战略调研报告——空间物理,91年初稿科学出版社1996年)、"空间天气学"作为一门新兴的系统科学,必将在人类跨世纪的步伐中应运而生(地球科学进展,Vol.
9,No.
3,93年6月收稿,94年5月刊出;"九五"国家重大科学工程建议书中(1994年初提出)提出"为在二十一世纪初建立和发展《空间天气学》作出重要的国际贡献";"九五"国家基金委重大项目建议书(1995.
7.
7):"空间科学正进入一个科学与应用紧密结合的《空间天气学》新时期,它是多学科的前沿交叉领域".
"灾害性扰动过程研究将带动我国日地物理向《空间天气学》新阶段快速发展",1997年5月、1998年8月和1999年10月分别在北京、黄山和昆明召开第一次、第二次和第三次全国《空间天气学》研讨会,号召大家为推动《空间天气学》的迅速发展起好先驱作用,并呼吁尽快制定"我国的空间天气战略计划".
可以看到,我国和西方科学家明确指出SpaceWeather是一门学科,大体是在同一时期.
今天人们对空间天气学的认识正经历一个快速发展和不断丰富的过程.
显然,发展和建立空间天气学,建立能独立自主对空间天气变化进行监测、研究与预报的体系,既是对自然界的挑战,更关系到增强国家综合实力,它是一门具有重要基础性、战略性和前瞻性的跨世纪新学科.
让我们勇作空间天气学的先驱者!
二、空间灾害性天气对人类航天活动有什么影响赵华1朱文明21.
中国科学院空间科学与应用研究中心,空间天气研究实验室2.
航天工业总公司501所1994年1月份的几天里,加拿大部分地区的电视、广播、电话等不能正常工作,给当地人们的生活、工作造成了重大的不利影响.
这次事故的原因不是恐怖分子袭击了各电视台、广播电台、电话局,而是为电视、广播、电话提供通讯服务的三颗同步轨道通讯卫星Intersat-K,AnikE1和AnikE2受到了空间环境的强烈干扰.
卫星上的惯性陀螺仪失效,卫星姿态失去控制,卫星不能正常提通讯服务所至.
卫星及大部分空间飞行器的运行区域是地球大气层以上的电离层,磁层及行星际空间.
这些空间区域并不是完全的"真空",而是"充满"着大量的等离子体(一种处于电离状态的粒子气体)、高能粒子、微流星体、尘埃、空间碎片、中性原子和电磁射线等物质.
空间飞行器就是运行在这样的空间环境中.
这些物质对航天器有一定的作用,其作用形式及效应与这些物质的分布状态及运动状态有极大的关系.
对空间环境中各种物质分布状态及运动状态的描述及对这些状态变化规律的研究就是空间天气学的基本内容.
空间环境对空间飞行器正常运行的重大干扰则是"空间灾害性天气"的一部分.
研究造成航天器异常/故障,尤其是使航天器任务部分或全部失效的灾害性扰动环境,发展预报发生空间灾害性"天气"的方法、模式、手段,是实现航天器在轨任务及工作寿命的重要保障.
航天器系统受到空间环境影响产生的主要问题包括:微米尺度的颗粒撞击航天器系统,造成系统结构的破坏;由于高能带电粒子引起的单粒子翻转事件;由于污染及辐射造成材料性能的恶化;电介质的击穿、空间系统的强静电、等离子体紊乱造成电磁波的折射与散射,以及对空间系统探测器的干扰等.
前面所提及的加拿大通信卫星出现故障主要是由于高能电子引发的深层充电所造成的.
国内、外诸多在轨运行卫星发生异常/故障的分析结果表明,由空间环境因素引发的故障占总故障的40%.
随着卫星技术的发展,航天器上的仪器越来越精密、探测器越来越灵敏、太阳能电池帆板越来越轻.
这些新技术的采用使空间飞行器对空间环境效应越来越敏感,特别是对辐射及静电带电效应.
另外小卫星技术的广泛采用,在飞行器的研制中正在逐渐加大对商业器件的使用.
而这些商业器件大多未经特殊加固处理,容易受到空间环境中粒子的损坏.
德国在1997年12月发射的科学实验卫星Equator-S,原先的设计寿命为一年.
发射后卫星运行了近五个月的时间就彻底的毁坏,不能继续完成其科学探测使命.
很多科学家都认为Equator-S的提前终结,是由于卫星研制周期过短,经费紧张,很多防护措施不够,以致于卫星在空间环境中各种不利效应的作用下,最终导致卫星失效.

虽然这种事例并不常见,但损失却是非常沉重的.
空间环境效应对空间飞行器造成局部或部分时段的工作异常,其损失也是难以估量的.
例如空间碎片、微流星可能造成太阳能电池板局部区域的击穿,从而降低电能的供应.
宇宙线可能造成飞行器上的微电子器件的单粒子翻转事件,产生错误指令,或使存贮器锁定.
日冕爆发产生的高能粒子及电磁辐射会对航天器造成电磁干扰.
辐射带中的高能粒子会造成航天器结构材料的性能恶化,对宇航员可能造成辐射损伤.
空间环境中高能等离子体会引起航天器带电,一方面干扰飞行器上各种科学探测仪器的工作,另一方面还会造成飞行器上电介质放电击穿.
另外飞行器的带电会使飞行器表面吸附飞行器喷出的推进剂,造成卫星表面的污染.
低能等离子体则会造成飞行器的电流泄漏,增加无用功耗.
同时,低能等离子体还可能在飞行器表面沉积,对某光学仪器的镜头造成污染或改变其光学性能.
空间环境中的中性原子氧则会对飞行器的材料造成表面腐蚀.
空间中微米尺度的微粒撞到航天器时,具有足够的动能破坏航天器上的一敏感部件.
例太阳能电池帆板的玻璃防护层.
微粒撞击航天器时所施放出的能量,足以在航天器的局部表面产生高密度的中性原子和等离子体团.
并对航天器上的某些传感器、天线产生干扰.
非常高能的带电粒子能在航天器电子学器件中沉积足够的电荷量,干扰集成器件的记忆状态,产生伪信号,这就是单粒子翻转事件.
单粒子翻转事件本身并不发生硬件损伤,是状态可以恢复的"软"错误.
但它导致航天器控制系统的逻辑状态紊乱时就可能发生灾难性后果.
我国"实践四号"探测卫星平均每天测到3.
4次单粒子翻转事件,卫星上的一台测量单粒子事件的探测器平均每一个月发生一次单粒子锁定事件.
我国某些应用卫星也因单粒子翻转事件产生局部的工作异常.
很多遥感卫星的粒子探测器也会受到高能粒子的干扰.
这种干扰有两层意思,其一是高能粒子直接通过粒子探测器;其二是高能粒子产生的次级辐射.
次级辐射的谱段可以覆盖从可见光到射线.
能量范围在MeV的带电粒子虽不能造成航天器上部件及材料的永久损坏,但这些带电粒子在航天器各部分的长期积累也会威胁航天器上某些系统的功能.
一个最明显的例子就是这些具有一定能量的带电粒子在太阳能电池帆板上的积累会逐渐降低太阳能电池板的效率.
另外,较高能量的电子在非良导体材料中形成的电荷积累有可能导致电介质的放电击穿,同时产生电磁干扰脉冲及材料的损坏.
英国/美国联合研制的CRESS卫星及国际气象组织的Meteosat-3卫星就是由于这种电荷积累效应而发生问题的.
不仅较高能量的带电粒子能对航天器的运行产生不利影响,即使是低能的等离子体也对航天器的运行产生干扰.
由于航天器在空运行过程中始终与等离子体保持接触,因此等离子体可以看成是一个很强的电流源.
等离子体的寄生电流会在航天器上产生磁矩从而可能影响航天器的姿态控制.
等离子体还可能造成航天器上高压系统的短路.
低能等离子体也能引起航天器表面带电,如果表面电位较高则可能导致放电打火,产生电流或电磁脉冲,会对航天器上的电子器件产生干扰.
另外如果航天器的表面电位较高,会吸附一些污染物,导致航天器表面性能的恶化.
除了高能粒子、等离子体,即便是空间中乘余的中性大气也会引起航天器表面氧化,侵蚀表面,或在表面形成污染层.
针对这些由于空间环境造成的航天器故障,如果能事先知道可能发生故障的轨道区域及发生的时间,则可以通过一些技术措施以避免这些故障的发生.
三、空间灾害性天气对通信、导航定位有什么影响吴健1郭兼善21.
信息产业部电子第二十二研究所北京研究中心,北京6301信箱,邮编1022062.
中国科学院空间科学与应用研究中心,空间天气开放实验室100080人们熟知的天气是指近地大气层十几公里以下出现的风、霜、雨、雪变化,而十几公里以上一直到太阳附近的广阔空域的天气变化就鲜为人知了.
这些变化对人类的活动的影响是不可忽视的,有的甚至是灾难性的.
我们下面来谈谈对通信和导航定位无线电系统影响较大的电离层天气.
电离层指地球大气中那一层部分离化的大气.
1902年亥维赛和肯涅利两位科学家为了解释无线电波的反射而假设有"导电层"包围着地球,当时人们以两位科学家的名字命名它为肯涅利——亥维赛层.
1925年阿普里顿和巴涅特利用电波的干涉原理首先证明了电离层的存在,促进了电离层研究在科学和应用方面的迅速发展.
迄今为止人们已弄清了电离层自下而上划分成C、D、E、F几个区,在白天F区又细分为F1区和F2区.
电离层中电子密度随高度分布变化达四个量级,以典型中纬度地区电离层平均状态为例,C区电子密度约为108/立方米,D区约为109/立方米,E区为109~1011/立方米,F区为1011~1012/立方米.
最大电子密度出现在F区,最大电子密度对应的等离子体频率叫做电离层F2区临界频率,F区以上称为顶部电离层,电子密度随高度递减.
除了高度分布外,电离层中电子密度从高纬度向低纬度明显增加,在地磁场赤道两边形成两个驼峰,这个区域称为赤道驼峰区或赤道异常区.
电离层中的等离子体是由部分太阳辐射(远紫外射线、α射线、β射线、x射线和宇宙射线)电离中性大气成分产生,因此电离层的电子密度有明显的日变化、季节变化.
太阳辐射有11年周期变化,因此电离层也有相应的11年周期变化.
电离层的存在和这些时空变化引起无线电波折射、吸收、闪烁、多径效应、极化旋转、色散和Doppler频移等的变化,从而导致通信、导航、测量和遥感信息质量的降低甚至失灵.
经过近几十年的空间高技术探测以后,人们更认识到,除上述平稳规则的变化之外,由于太阳的剧烈活动及地球空间系统的非线性不稳定性,还会形成所谓的电离层暴.
这时候,电离层中的带电粒子密度、电流系统、电场分布等都会出现暴发性的涨落,其时间尺度可小到十分之一秒量级,空间尺度从几米到成百上千公里,对卫星通信导航定位和地面输电、输油等工程技术系统造成破坏性的影响.
这决不是耸人听闻的!
1989年3月13日的强烈地球空间暴使得加拿大魁北克的大部分地区停电9小时以上,六百多万居民受到影响,使魁北克电力公司在加拿大损失了近两万兆瓦的电力,输送到美国的电力损失也超过千兆瓦.
电离层天气就是要监测、研究和预报如日冕物质抛射、磁层电场、粒子沉降等在电离层中的种种反映,也就是说要研究电离层天气及其产生原因,最终将可能为有关部门提供电离层天气预报.
下面我们主要以无线电技术领域为主线来介绍电离层的影响.
一、电离层天气对通信系统的影响短波通信选频.
与电离层关系最密切的是短波.
远距离短波通信是靠电离层对短波信号的反射来实现的,最高和最低可用频率取决于电离层电子密度的分布.
因而频率预报取决于通信电路上电离层电子密度的预报.
利用电离层随太阳活动、季节、时间、地理位置的变化来预测短波通信电路的最高和最低可用频率,就是短波通信的选频问题.
电离层的快速变化能导致短波通信信道衰落,强衰落能致通信中断.
太阳爆发产生的电离层短波吸收增强也能引起短波通信中断.
当前不同地球物理条件下电离层的变化规律研究还远不能适应通信系统的设计和使用需求.
为了保障短波通信的质量,"国际空间环境服务组织(ISES)"专门从事快速交换电离层探测数据,发布影响短波通信的电离层骚扰警报.
中国电波传播研究所是亚洲区域中心之一,负责中国区域的数据交换、预报和警报的发布.
2000年6至7月份,多次发生电离层扰动事件,使短波通信可通频带变窄,通信质量受到严重影响,最严重的事件使短波通信中断达20多小时,由此可见电离层天气对短波通信的重要性.
卫星通信.
卫星通信包括同步和低轨道卫星网(移动通信)两类系统.
所采用的频率大都能穿透电离层.
对于甚高频段(VHF)以上频率,电离层快速随机变化引起的信号闪烁会导致信道的信噪比下降,误码率上升,严重时使卫星通信链路中断.
这种现象在低纬和蔼高纬(极光区和极盖区)地区尤为频繁、严重.
我国的台湾——广州一线以南的地区属于电离层闪烁的高发区,海事卫星通信在这些地区经常出现中断现象.
1989-1990年美国在巴拿马的军事行动期间多次发生的指挥自动化系统中断事件也是由于严重的电离层闪烁导致的.

最严重的电离层闪烁在UHF频段接近30dB、在L频段(包括移动通信下行频率和GPS使用的频率)能达到15dB以上,闪烁的持续时间最长达3小时以上,这是大部分地空无线电系统所不能容忍的.
即使在12GHz的频率上低纬地区电离层闪烁的影响仍不可忽视.
此外,电离层电子密度的变化产生的信号极化变化(法拉第旋转);电离层快速随机变化所决定的穿透电离层信号的相干带宽;电离层闪烁出现的长期统计特性等都是现代地空无线电系统设计要考虑的重要因素.
因而电离层闪烁是影响卫星通信技术发展的重要问题之一.
二,电离层天气对导航定位的影响无线电导航定位技术包括地面无线电导航、卫星导航和无线电测控技术.

地面无线电导航系统如美国的罗兰C、欧米咖、俄罗斯的阿尔法和我国的长河二号等;卫星导航如美国的子午仪、GPS、俄罗斯的GLONASS等;无线电测控技术如卫星测控技术、无人驾驶飞机的测控技术等.
低频和甚低频导航.
罗兰C和长河二号属于低频导航系统,欧米咖和阿尔法系统属于甚低频导航技术.
其导航原理是利用低频和甚低频信号在电离层底部与地面形成的波导中传播的时间,来测量导航导航发射台的距离,在已知发射台位置的前提下求解接收机的位置.
电离层的变化尤其是底部电离层的变化,导致低频或甚低频信号在给定的发射机和接收机之间的传播相位时间延迟变化,严重时能产生几十海里的甚低频导航误差.
误差修正的途径是进行长期大量的观测建立电离层效应改正模式.
甚低频还用于对潜艇的通信,电离层的影响同样存在于甚低频通信系统中.
卫星导航定位.
卫星导航的原理是测量接收机到每颗卫星的距离,在已知卫星位置的前提下求解导航接收机的位置.
卫星导航信号穿过电离层产生的误差是重要的误差源之一,对于GPS和GLONASS系统,误差高达几十米甚至百米,严重时能使卫星导航系统暂时失效.
这些影响有如下几方面:首先是折射误差.
电波通过电离层时折速度变慢,产生附加的时间延迟,致使测距不准.
其次,导航信号通过电离层时还会产生相位变化,使测相导航系统产生误差.
在某些情况,还能产生测速误差.
再次,由于电离层折射,导航信号在电离层中的传播路径产生弯曲,导致导航信号到达角的变化,这在卫星的仰角很低时特别严重.
对于以基于测角的测速系统,也引起测速误差.
此外,电离层的快速随机变化,尤其是低纬地区电离层的随机变化引起的电离层闪烁,也产生测距和测速误差,理论研究表明,极端情况下,这种误差接近折射误差.
测量控制.
对于无线电测控系统,电离层的影响原理上与卫星导航定位系统一样.
授时和时同.
对无线授时和时间同步的影响是由于电离层产生的时间延迟导致时间信号误差,误差大小与频率有关.
三、电离层天气对其它无线电技术系统的影响雷达.
和通信一样电离层对短波雷达影响最大.
典型的短波雷达是短波超视距雷达,它利用电离层的反射来实现视距外的目标探测.
电离层的变化影响到探测目标地面距离的反演.
严重时雷达不能正常工作.
对于超短波直至微波雷达探测,其影响外还包括对雷达波瓣宽度的影响.
结果是使雷达测距、测角和测速精度产生误差.
电离层不规则体产生很强的雷达杂波,VHF频段的电离层杂波高达80dB.
遥感技术.
卫星遥感系统,工作频率较高,电离层的影响通常较小.
但是在利用卫星遥感图象研究地壳的形变时,必须首先对电离层的效应进行修正.

对某些频段的遥感雷达,电离层会影响到图象的分辨率.
利用极化提取遥感信息的系统,必须考虑电离层的法拉第旋转的影响.
对于遥感雷达的测距精度,在某些况下也必须进行电离层折射修正.
对卫星系统电磁兼容设计的影响.
卫星是一个复杂的电气和电子结构的混合体,各分系统在对外辐射无线电信号的同时,其本身又受到其它分系统辐射的干扰,同时具有干扰和被干扰的两重性.
电磁兼容设计的目的就是把这两重性调整到最佳状态.
当卫星在电离层中运动时,等离子体环境会破坏这种最佳状态.
即使在地面按照一定的电离层状态进行的卫星电磁兼容设计,在太阳活动剧烈变化时仍可能打破这种最佳状态.
例如,卫星天线的辐射特性(输入阻抗、方向图、增益等)是随电离环境的变化而变的,因而电离层剧烈变化产生的对天线的影响有时是可能破坏性的.
四、灾害性空间天气对地面技术系统和生态环境有什么影响汤克云1焦维新21.
中科院地质地球物理所2.
北京大学1.
空间天气灾变危及地面通讯空间天气是指太阳表面和地球的磁层、电离层、大气热层的物理状态.
当太阳上有大的黑子群、冕洞,强烈的耀斑、剧烈的物质抛射等物理现象时,大量的带电粒子流、高能射线进入日地空间,特别是近地空间,造成了电磁场的剧烈变化,带电粒子流、高能射线的大量增加和电磁场的剧烈变化,将对空间和地面技术系统,诸如卫星、通讯设备、输电网络、油气管线的安全产生严重威胁,并直接影响人类生存环境,我们称之为灾害性空间天气.
空间天气灾害对地球上技术系统的影响可以追溯到十九世纪中叶.
1847年3月19日,在英格兰观察到电报指针自动偏转;同年9月24-25日,有极光出现,指针自动偏转得更大;1858年8月28日至9月2日,有极光出现,加拿大电报站之间的通信完全中断,同时,美国纽约、华盛顿等城市间的电报通讯也受到了影响.
当时的人们对发生这类现象的机理并不清楚.
近代的研究才发现,捣乱的魔鬼原来是地磁暴产生的感生电流.
1957年磁暴期间,人们在加拿大纽芬兰与爱尔兰之间的海底电缆上测到了3000伏的感生电压,如此强大的感生电流打乱了通讯电缆上传输的电报电流,电报业务只好瘫痪.
2.
地球磁场猛暴加国电网遭殃1989年3月,北京的街道已是寒装渐退,春意袭人,对魁北克人来说,仍是隆冬季节.
人们在电热系统发出的暖流中,观看电视,欣赏音乐,通过电脑和传真机与全世界联系,尽情享受着发达的现代文明,丝毫没有感受到窗外寒气的威胁.
13日凌晨,一阵光弧之后,路灯黑了,楼宇黑了,夜总会黑了,整个不夜城黑了.
施虐的祸首是50年以来第二强的地磁暴,强磁暴产生了强大的感生电流,冲击了魁北克水电站的变压器和储能器,使魁北克水电站遭到了毁灭性的打击.
电网瘫痪,600百万居民在无电的冬天度过了9小时.
电力损失2000KW,直接经济损失达5亿美元.
所谓地磁暴,就是地球磁场在很短的时间内发生了剧烈的变化.
普通物理的知识告诉我们,当穿过一个闭合的导体回路的磁通量发生变化时,会在回路上产生感生电流.
输电网正是这样一个闭合的导体回路.
磁暴时,穿过电网回路的磁通量发生了急剧变化,就在电网回路上产生了强大的感应电流.
特别糟糕的是,磁暴在电网上产生的感应电流是大强度直流电,而电网传输的是交流电.
这就在短时间内造成了输电网的失衡,某些输变电设备的局部产生高热而烧毁.
除了磁暴强之外,处在高纬地区、建在火成岩上是魁北克水电站遭到毁灭性打击的另外两个重大原因.
火成岩的电导率较低,大磁暴的强大感应电流主要加诸于电网了,对电网造成了严重的冲击.
1989年之后,人们已注意到要尽可能避免在高纬和火成岩地区新建发电站.
除魁北克之外,1989年3月的强磁暴还烧毁了美国新泽西州德拉威尔河上的一座核发电站的巨型变压器.
磁暴感生电流使变压器铁心饱和,磁通量溢出,在高磁通密度处形成了高热点,最终变压器着火烧毁.
现场研究表明,磁暴电流造成的变压器铁心饱和产生的热量不但使线圈之间的绝缘材料着火,而且融化了可以承受3000安培电流的粗铜丝.
该变压器是200兆伏安蓄电站的三台变压器之一.
这三台巨型变压器价值1000万美元,损坏之后,若无备件,须化一年的时间去重造和安装,这一年中,整个发电厂就只好停产了.
幸运的是,在这次事故发生后,该核电站从一个停建的核电站卸下来一个同样型号的变压器,化了六周的时间,使该发电厂恢复发电,但是已造成了每天40万美元的损失.
1989年3月地磁暴对北美地区电力系统的打击,是近代科学史上由于空间天气恶劣而造成技术系统破坏的著名例证.
1940年3月24日,美国和加拿大的电力公司都发现电网上的电压降和无功功率有大的摆动.
那是历史上第一个有关地磁暴对电力系统影响的记载.
3.
空间天气变阴影响油气输运磁暴产生的感生电流不但会对高纬地区的输电网和通讯电缆产生危害,而且会影响地表油气管线的安全.
已经测量到,强磁暴时,每公里的输油管线上有6伏的感生电压,在1000公里长的输油管道上,会有6000伏的感生电压,阿拉斯加输油管线上有1000安培的电流流过.
如此强大的感生电流,当然会影响流量计的正常计数,并加速管线的腐蚀.
4、气象灾害频频空间天气有责传统的观念认为,气象是一种阳光辐射与中性大气作用的物理过程,而地磁场的变化则是一种电磁过程,两者之间没有什么明显的联系.
地磁与气象的关系,从70年代开始已为研究日地关系的学者所重视.
他们发现地磁活动与太阳活动、大气层和生物圈之间存在很好的相关关系,因而认为地磁活动性可作为太阳天气关系的"指示器".
不少作者分析研究了上百年的太阳活动、地磁活动和各种气象参数资料,揭示了地磁场与低层大气气压、气温和降雨量的关,并提出地磁场控制大气层的一些证据.
关于理论解释,目前尚无定论,主要有3种机制:第1种是高层和低层大气通过动力学过程相互耦合;第2种是臭氧变化效应,即太阳活动加剧,使紫外辐射增加,再使大气中的臭氧含量增加,导致平流层、对流层的辐射与动力耦合改变,最后改变对流层的气候;第3种是地磁极控制机制:地磁极及其位置变化可作为控制气候和天气的因素,即通过地磁活动性表示的太阳微粒辐射强度明显地影响地磁极上空和极区上空的气温和气压分布,导致大气环流变化,甚至影响植被条件和农业收成.
自1985年英国科学家报道南极出现臭氧空洞以来,多数科学家认为是人类大量使用氟利昂,氟利昂释放出的氯原子破坏了臭氧分子,造成了臭氧空洞.
现在有一种新的提法,认为造成全球臭氧空洞的主要原因不是通常所认为的氟利昂,而是太阳风.
一方面,太阳风压力使南极上空的大气层变薄,另一方面,进入南极的高能粒子比北极多,消耗的臭氧也比北极多.
虽然在科学界对太阳风的高能粒子是不是南极出现臭氧空洞的主要原因是有争议的,但太阳的紫外线爆发和高能粒子都对臭氧层有影响已是不争的事实.
5.
太阳地磁活动城市疾病相关研究表明,心脏病、脑血管病和恶性肿瘤的发病和死亡与自然界的一些突发事件如太阳活动及地磁场干扰等外部因素有关,而且很可能某些外部因素在一定程度上对这些疾病的发病和病死起着诱发或加速的作用.
我国一些科学家对我国哈尔滨、长春、北京、上海、武汉和广州六城市在1956-1963年、1973-1983年和1984-1991年三个时间段内的心脏病、脑血管病和恶性肿瘤的死亡率与太阳黑子相对数、太阳射电流量以及地磁指数的关系进行分析.
他们发现,脑血管病的死亡率与某些太阳及地磁活动因子之间存在着明显的相关关系.
此外,高能电子会使臭氧层变薄,引起海陆生态环境的失调,过量的紫外线照射到地球表面,又会产生无辜的皮肤癌患者.
虽然我国位于中、地纬地区,磁暴期间对我国的电网、通讯电路、油气管道上的影响不如高纬地区大,但同样处于中、地位地区的日本已发现地磁暴影响输电系统的事例.
同时,在油气勘探、海洋和航空导航中,都要用到地磁定向技术.
发生强磁暴时,地磁场的矢量方向发生大的变化,会严重影响定向的精度.
总之,我国应加强磁暴对电网、通讯电路、油气管道影响及磁定向问题的的研究.
空间天气对人类生存环境的影响基本上是全球性的,全方位的,更要深入研究.
五、空间天气学的基本问题是什么魏奉思中国科学院空间科学与应用研究中心,空间天气研究实验室当今,空间天气学正处在一个世界范围内起步的阶段,许多国家的科学家和政府部门都十分关注空间天气学的发展和建立[8-11].
如何有效地推动空间天气学的发展呢它涉及如下五个基本问题.
1.
空间天气监测建立空间天气的地面、空间的全球监测网是建立和发展空间天气学的基石.
它为空间天气变化的规律研究、模式与预测、效应分析、防护措施、地面与空间技术系统的运作,以及人类活动决策等提供观测依据.
空间天气的监测涉及与地球常规天气十分不同的一些显著特点,例如:监测的空间范围很大.
从地面2-30公里以上直至太阳,它涉及物理性质和结构很不相同的空间区域,这是迄今为止人类能直接探测的一个天体系统;监测的对象和参数多.
主要包括太阳、多波段电磁辐射、太阳物质抛射事件和太阳带电粒子事件、行星际太阳风暴、磁层亚暴和磁暴、电子通量增强事件、粒子沉降、辐射带变化、电离层扰动和闪烁、中高层大气密度和温度、风速和成分等的扰动以及空间电状态改变等等;监测现象的空间、时间尺度的变化范围大.
从行星际激波的106公里到中高层大气的1公里左右.
从几分钟、几小时、几天到11年太阳活动周变化;监测现象的地域性与全球性.
如地磁异常、粒子沉降、电离层异常、地形地貌对高空大气的成分、状态的影响.
空间天气的全球性,如存在随地球的磁经、磁纬度的全球分布与变化;监测现象的相关性强.
太阳日冕物质抛射、行星际风暴、地磁暴、电离层暴、中高层大气中的热层暴和银河宇宙线暴等都存在着很强的时序因果间的相关性.
它们是一个空间天气事件在不同空间区域、不同时间过程的具体表现.
空间天气现象的这些特点,使空间天气的监测具有极大的挑战性,不仅应当不断完善和建立地面和空间的全球监测系统,而且要尽可能到太阳附近去观测,才识庐山真面目.
目前国际上这种监测网络已初具规模,而我国空间天气的监测却是相对薄弱的.
从整体上讲距离建设一个监测手段先进、综合性强与国际接轨的立体监测网络尚有较大距离.
2.
空间天气变化规律的研究了解变化难测的空间天气变化规律是技术系统设计、人类活动决策(包括军事活动)和预测空间天气事件发生的基础.
空间天气变化规律研究是当代自然科学极具挑战性的重大前沿课题之一,它研究富于变幻的太阳活动的能量、动量和质量的产生,在行星际介质中的传输和与地球空间系统的相互作用过程.
涉及地面实验室无法模拟的特殊环境:高温、高电导率、高超真空、高超音速、多种间断面和边界层等;涉及宏观与微观多种非线性过程和激变过程:如太阳耀斑、日珥、物质抛射、激波传播、磁场重联、电离与复合、电离成分与中性成分的动力耦合、重力波、行星波、上下层间的动力耦合等等.
这些都是十分重要的基本科学问题.
就了解一次空间灾害性天气事件而言,就需要把来自不同空间区域的扰动暴发现象,整合成统一的有因果时序关系的"画面",进行多学科综合研究;电离层和中层大气的研究都先后获得过诺贝尔奖.
从美国空间天气计划看,空间天气研究领域可分为:(1)太阳/太阳风;(2)磁层;(3)电离层/热层系统.
研究的重点是放在对预报空间天气变化起关键作用的物理过程方面,主要涉及二大方面的问题:一是太阳风暴的形成、传播与演化;二是它吹过地球时所引起的空间环境的变化.
我国日地物理学家们在这些课题的研究方面已有一定的基础,急待列入国家层次的发展计划,才能提高整体的国际竞争能力.
3.
空间天气预报空间天气预报的准确性、可靠性和及时性直接关系到减少或避免空间灾害给人类活动带来巨大损失和危害的问题.
它的预报水平主要取决于观测能力和对空间天气变化规律认识的水平.
建立不同空间区域、不同参数和空间天气事件的因果链研究模式是空间天气预报的基础,而将这些研究模式转化为预报员使用的运作模式(Operationalmodels)是关键.
当前需要研制和完善的空间天气模式主要涉及:日冕物质抛射模式、太阳耀斑模式、太阳紫外、极紫外和软X射线模式、太阳风模式、磁层粒子和场模式、地磁扰动模式、辐射带模式、极光模式、电离层背景、扰动、电场和闪烁中性大气模式(热层和中层)等等.
美国目前的预报水平和能力是这样:警报——空间灾害发生在24小时内,对太阳、行星际的预报能力非常有限,而对地球空间系统尚无能力满足需求;现报——给出当时的空间天气条件以及推演到观测条件发生新变化前的一个短暂的天气条件,对整个日地空间环境来说,这种能力都非常有限;预报——短期预报(几小时到几天)、中期预报(提前几个月)和长期预报(长达11年太阳活动周期),对太阳、行星际和中性大气其能力非常有限,对磁层和电离层更是无力满足;我国在太阳活动、地磁暴和电离层预报方面已有一定历史集累,也做出了很好的工作.
整体讲,我们的预报对西方国家的观测和预报有太多的依赖性,这是十分危险的事.
4.
空间天气服务空间天气学要为人类的高科技活动"保驾护航",开展空间天气服务,减轻或避免空间灾害的损失与危害是它的终极目的.
空间天气服务包括:提供空间天气产品——常规产品:观测数据、模式、环境规范;效应分析;专项产品——根据用户的特定需要而进行特别加工的产品;预报产品、警报、现报、预报;效应诊断与分析——鉴别系统异常或失效是否由空间天气因素或其它工程设计、机械故障或软件错误引起;建议防护措施或改进工程设计;调整地面与空间技术系统的运作程序和采取应变措施;教育与培养——增强公众(包括政府官员和新闻媒介)对空间天气及其影响的意识;培养足够数量的高素质科学与工程人员.
从我国的国情看,空间天气服务远远落后于西方发达国家,除了全民的科技水平落后这一重要原因外,我国现行的管理体制,部门所有制等,导致缺乏宏观调控和强有力的国家计划指导也是重要因素.
因此,要作好空间天气服务,当务之急是需要空间天气有关各方:科学、教育、工程、用户和政府等,建立有效的协调工作体系,成为一种国家指导下的行为,方能事半功倍.
5、空间天气的技术支撑系统空间天气信息的处理与传输系统是实现空间天气学、为发展高科技"保驾护航"、发挥重要科学、经济与社会效益的重要技术支撑系统.
它的水平如何,直接关系到空间天气学的发展速度和水平.
空间天气信息包括来自全球的地面和空间的观测数据、研究模式、用户需用的天气新产品(包括各类图形和动态图像等)、空间天气对人类活动的影响,包括对技术系统的效应损伤与防护,用户咨询和访问等等.
这些庞大的种类多样、复杂信息的实时采集、加工、处理和分析、实时运行复杂的模式、显示和处理图像,快速获得、生成和传输空间天气产品、新数据的获取和模式的更新等,以及建立相应的数据库和专家系统等.
需要建立强有力的高性能的计算机系统和进行信息传输的网络系统,以及不断升级硬件和软件来满足不断增长的需要.
它们对于发展和建立空间天气学来都是十分重要的技术支撑系统,它是先进与落后与否常常带来是事半功倍还是事倍功半的截然不同的效果.

如果我们能解决好发展空间天气学的上述五方面问题,我国的空间天气学必将在不长的时期内(5-10年)走到国际的前列去,为中国和人类进入高科技的21世纪做出重要贡献!
六、如何监测空间天气的变化焦维新1王家龙21.
北京大学地球物理系1008712.
北京天文台100101每当"新闻联播"之后,人们就可从电视屏幕上了解到今后几天天气的情况.
即使对气象学一无所知,但仅凭云图的变化,都能判断出今明几天是好还是坏.
这都是"气象卫星"的功劳,因为它"高瞻远瞩",在很短的时间内,就把全球的天气看个够.
现在,人类之所以能比较准确地预报天气,其基本条件是建立了从地到天、遍及全球的立体观测系统.
传统的天气是这样,人们要想预测和预报空间天气,也必须建立相应的观测系统,而且这个系统要比传统的更庞大、更复杂.

空间天气涉及的空间范围从距地面60公里左右一直到太阳大气表面,而人们通常所说的天气,主要限20公里以下;传统天气所要观测的要素,主要是风、温度、压强、降雨量、云层分布等中性大气的状态;而空间天气所涉及的物理参数比这复杂得多,除了要测量高层中性大气的参数外,还要测量等离子体、高能粒子辐射、电磁辐射、静电场与静磁场等多种参数.
要及时地提供这些参数,所需卫星的种类和数量要比气象卫星多得多,地面观测的内容和方式也与气象观测有很大差别.
空间天气的一个显著特点是受太阳活动的直接影响,换句话说,剧烈的太阳活动是灾害性空间天气的源.
能够造成空间天气较大变化的太阳活动包括耀斑、日冕质量抛射、高速太阳风等.
因此,为了预报空间天气,首先要密切监视太阳的变化.
太阳活动时常有波长短于可见光的电磁辐射,如紫外线、X射线和伽玛射线等.
这种辐射由于地球大气的存在,在地面上接收有困难,只好把观测仪器放在人造飞行器上,从空间来监视太阳活动.
同时,专门探测粒子的仪器也放在人造卫星上,监测太阳辐射出的各种能量的荷电粒子以及中子.
近一、二十年来,使用卫星拍摄到的太阳X射线像,及大范围白光日冕像,科学家们对太阳活动现象,如太阳耀斑和日面物质抛射,作了大量分析,获得了不少新的结果.
这些结果不但有助于我们认识太阳活动现象,也有助于我们发展空间天气的监测与发展灾害性空间天气的预测工作.
目前监测太阳的主要卫星有美国和欧洲共同发射的"太阳与日球观测台"(SOHO)、美国的"太阳风"(WIND)和"过渡区及日冕探测者"(TRCE)、日本的"阳光"(Yohkoh)等.
SOHO位于日地联线的拉格朗日点地球上游,能对太阳爆发性活动提前30多分钟向地球发出警报,它在监测太阳活动方面作出了突出的贡献.
但SOHO是1995年12月发射的,已经在恶劣的辐射环境中工作4年多,目前的工作状态已不能满足需要.
在21世纪初,计划监测太阳的飞船主要有:可对太阳γ射线成像的"高能太阳成像谱仪"(HESSI),能测量三维日冕质量抛射的"日地关系观测台"(STEREO),可测量太阳磁场三维结构的Solar-B,在太阳表面3~110个半径区就地和遥感测量的"太阳探测器"(SolarProbe)等.
知道了太阳怎样变化,还要了解地球空间是怎样响应的.
这就需要对地球的磁层、电离层和中高层大气进行观测.
目前正在运行的卫星主要有:能对全球极光成像的"极区"(Polar)飞船、研究磁尾动力学的"磁尾"(Geotail)飞船、提供太阳风参数的"行星际平台-8"(IMP-8)、研究地球极光区物理学的"快速极光快照探索者"(FAST)等.
将要发射的飞船主要包括:由4颗卫星组成的"集团卫星-Ⅱ"(Cluster-Ⅱ),这些卫星将进行地球磁层的三维测量,能观测向阳区和磁尾区的大尺度和小尺度现象;"热层、电离层、中层能量及动力学"(TIMED)将探测地球的磁层和低热层,是人类第一次直接探测中层和和低热层-电离层区,向下可延伸到50km;"TERRIERS"的基本目的是测量电离层三维电子密度和热层光电发射;"磁层-极光全球探索成像仪"(IMAGE)和"双广角中性原子谱仪"(TWINS)对磁层和电离层的探测采用了许多新技术.

正在研制中的飞船主要有"地球空间电动力学关系"(GEC)、"磁层星座"(MC)、"内磁层探索者"(IMEX)以及"磁层多尺度"(MMS)等.
GEC由四个飞船组成,可根据需要改变飞船间的相互位置和距离,重点是观测能量是怎样从磁层输送到电离层和热层的;MC是有50~100个微卫星组成的星座,分布在7~40个地球的区域,要解决的基本问题是弄清磁尾是怎样存储、输送及释放物质和能量的;IMEX将对内磁层的电场和环电流进行实地测量;MMS是由5个卫星组成的第二半径代Cluster,可测量磁层等离子体的三维分布,并用以验证磁层等离子体输送、积累和扰动的理论.
上述卫星大多数只能测量某些空间天气参数,不能作为完全意义上空间天气卫星.
真正的空间天气卫星除能获得实时的空间天气参数外,还应具有大空间范围的成像能力.
IMAGE卫星具有这样的能力,因此被称为"空间天气摄像机".
IMAGE的发射目的是第一次获得地球内磁层主要等离子体区和边界的成像,并研究这些等离子体区对来自太阳的带电粒子流变化的响应.
为了达到这个目的,IMAGE使用了许多成像技术.
它携带有高、中和低能"中性原子成像仪",通过对这些中性粒子成像,可了解环电流、内等离子体片和极区电离层外流的动态图像.
"极紫外成像仪"(EUV)和"远紫外成像仪"(FUV)可用于研究等离子体层的小尺度结构,揭示等离子体层半径的变化.
"射频等离子体成像仪"(RPI)类似地面使用的便携式数字电离层测高仪,可测量磁层的结构和磁层顶随太阳活动的变化.
利用这些"新眼睛",IMAGE能观察整个内磁层,使不可见的等离子体变成可见的,并能发现我们地球空间"景色"的新形态;TWINS则是在IMAGE基础上发展的中性原子谱仪,可获得更精确的磁层离子三维分布图像.
这些卫星发射以后,将大大地提高空间天气预报的水平.
前面,我们已经明确了灾害性空间天气变化是起因于太阳活动,又基本上知道了太阳活动辐射或喷发出的物质与能量在到达地球之前经历了一个复杂的穿越日冕与行星际介质的过程.
自然而然,我们会想到,实时监测灾害性空间天气变化是减轻和预防灾害的一种有效手段,现代监测空间天气的手段或工具,就其观测对象而言,可以分为对日观测、行星际探测以及地球物理观测等几种.
就其放置位置而言,可以分为地基和空间两种.
之前,我们讨论的都是卫星空间探测,下面,我们将讨论地面观测.
地面监测是空间天气获取信息和数据最重要方式之一.
与卫星观测相比,地面监测具有方便、机动、连续、可靠、廉价等特点,中国的地面观测系统有一定的优势.
中国幅员辽阔,纬度跨度50度,经度跨度60度,适宜布设各种大尺度观测台网.
广泛用于地面观测的项目主要有以下几方面:太阳观测、电离层观测、地磁场观测.
用于空间天气研究的地面太阳观测主要包括太阳磁场观测、光学观测和射电观测.
设在地面上的太阳观测台经常用普通的白光望远镜作太阳黑子的观测,每天测量日面上的太阳黑子数、黑子面积、位置、运动和演化等等,把有用的资料提供给空间天气服务与预报组织;用单色光色球望远镜不停地巡视和记录太阳耀斑的发生以及太阳色球物质的喷发现象;用太阳磁场望远镜,获得日面磁场分布和变化的形态;有些建在高山上的天文台还拥有日冕仪,可以观测日冕的瞬变或渐变现象.
此外,太阳射电观测也是了解太阳活动的重要手段,某些天文台使用40年代开始出现的称为射电辐射计的仪器来监测太阳在无线电波的爆发,用称为射电频谱仪的设备监测爆发时辐射的频率随时间的变化,以便分析辐射源区的物理状态和运动等,还用射电日像仪记录辐射源的位置和运动,分析日冕物质抛射的原始日面位置和运动方位等.
位于怀柔水库的北京天文台太阳磁场望远镜,在许多方面处国际先进水平.
地面的电离层观测历史悠久.
随着科学技术的发展,原有的观测手段不断更新,同时涌现许多新的观测方法和技术.
使用最广泛的观测设备是电离层测高仪,经过不断更新,现已经普遍使用数字式测高仪,它可获得电子密度、电子漂移等信息.
近年来,利用双频GPS信号的传输特性测量电离层积分电子浓度已成为对电离层监测的一种重要手段.
电子工业部电波传播研究所、北京大学和武汉大学等单位,都配备了这种GPS接收机.
地面对电离层的监测手段还有相干散射和非相干散射雷达、激光雷达、卫星信号的吸收和多普勒频移接收机等等.
地磁场的测量是空间天气观测的重要手段.
也许有人觉得奇怪,地磁场怎么会与空间天气的变化联系在一起呢地磁场由基本磁场和变化磁场组成.
基本磁场主要来自固体地球内部的磁流体发电机,比较稳定.
变化磁场包括平静变化和干扰变化.
平静变化主要是太阳静日变化,源于电离层电流系(Sq).
干扰变化包括磁暴、磁层亚暴、弯扰、钩扰和地磁脉动等,磁暴和亚暴是太阳风及行星际磁场与磁层相互作用在磁层和电离层中产生的各种短崭的电流系引起的.
地磁脉动与太阳活动、太阳风、磁层变化、带电粒子的运动都有密切的关系.
钩扰源是太阳紫外辐射,太阳耀斑发生时,强烈的紫外辐射引起电离层突然骚扰,电离层底部电离度增加,加强了发电机效应,使Sq电流系突增,致使地球磁场发生的变化呈钩状.
由此看出,地磁场的变化是空间天气变化的重要反映.
目前,我国正在计划建设子午工程-空间环境综合观测子午链工程.
这个工程的目标是建立和完善我国东经120度子午线上,从漠河经北京、武汉、海南到南极中山站这条空间环境综合监测站链.
在这条子午链上的主要观测项目包括:激光雷达、FP光学干涉仪、MST雷达、地磁仪、脉动仪、宇宙线中子堆、电离层数字探测仪、行星际闪烁观测以及科学气球探测等.
这个工程完成后,对于充分发挥我国地域优势,获取气球和卫星都无力探测的低电离层、热层区域的环境数据,了解我国上空空间天气变化规律并进行预报,都有极其重要的科学意义和应用价值.
如果我们与俄罗斯、澳大利亚等国合作,将我国的"子午链"延伸到南北两极,进一步与南北美国家合作,使我国提出的"子午链"设想最后形成全球唯一的一条全球闭合的子午台链,将使我国在国际空间天气研究中占一席不可代替的地位.
总之,天基和地基观测相配合,多手段、多点位观测相结合,对太阳、磁层、电离层、地磁场进行有效的监测,获取连续可靠的空间天气数据,是开展空间天气研究和预报的最重要任务和先决性基础.
七、空间灾害性天气变化是如何发生的萧佐1王家龙21.
北京大学;2.
北京天文台空间灾害性天气事件,通俗地说,指由太阳爆发引起的日地空间环境剧烈扰动及其对人类活动造成的灾害性影响.
为了弄清楚这些事件的来龙去脉,需要先对日地空间环境和太阳活动有所认识.
日地空间环境,有时也称近地空间环境,一般指从地球表面附近直至太阳大气的广阔空间.
地球大气从大约60公里开始,由于太阳远紫外和X-射线等辐射的作用,大气分子逐渐电离,电离程度随着高度的增加而增大,但离子和中性分子间仍然存在频繁的碰撞.
这一区域严重影响无线电波的传播,人们把这部分大气叫做电离层.
在数千公里高度以上,由于大气十分稀薄且空气分子完全电离,电离成分的运动受地球磁场控制,因而电离层以上的地球大气叫做地球磁层.
太阳由于质量很大,引力作用使太阳内部物质受到极大压力和高温影响,形成原子核的聚变反应从而释放出巨大的能量,太阳外层大气保持着高温电离状态,不断向行星际空间释放,其速度在太阳宁静状态下一般为每秒数百公里,叫做太阳风.
在太阳风的作用下,地球磁场连同它控制下的地球磁层整个发生变形,向日一侧被压缩,背日侧则被拉长,磁层顶隔开磁层和太阳风,地球磁层的形状很象一个拖着长尾巴的彗星.
随着科学技术的发展和人类对自然认识的深化,这一空间领域已经成为人类活动的新环境,各种应用卫星的轨道高度从几百公里到两三万公里,而专门设计的各种探测卫星可到达其它行星附近,另一方面,许多地面技术系统利用空间环境或受到它的影响,例如通信,导航,以及对电磁环境敏感的一系列现代技术,因此,空间环境及其变化自然成为现代国民经济,国防技术,科学研究等方面关心的重要问题之一.
现在看看太阳,它是地球能量的最主要来源,太阳辐射有很宽的频带,从波长很短的X-射线,极紫外,紫外,可见光和红外,一直到无线电波,而绝大部分能量集中于可见光和红外波段.
太阳在可见光波段的辐射情况相当于6000度的一个黑体辐射.
然而,导致X-射线和极紫外辐射的那些过程,可以有几百万度的高温.
太阳还有小部分能量以物质和磁场的形式送出来,例如前面提到的太阳风,有时会从太阳大气上部(日冕)磁场相对较弱的区域喷发出大量电离物质并带有太阳磁场,叫做日冕物质抛射.
太阳条件并非稳定不变,而是处于经常的活动状态,就导致空间环境变化的远紫外、X-射线、高能电子和质子、太阳物质输出(太阳风和日冕物质抛射)而言,引起它们变化的太阳活动可分为渐变型与爆发型两类.
太阳黑子是一种典型的渐变型太阳活动,它是太阳大气较低层的低温度、强磁场区域,它活动水平的高低与太阳电磁辐射,特别是紫外、X-射线等波段的辐射强弱有明显的相关,也与许多爆发型活动有明显的关系.
冕洞是另一种渐变型太阳活动,它是太阳外层大气(日冕)中物质密度比较稀薄的单极性磁场区域,磁力线从这里出发向行星际空间开放,是高速太阳风的发源地.
在速度为每秒数百公里的太阳风背景上,高速太阳风的速度可达每秒1000公里,它扫过地球时常常引起地球磁层扰动.
爆发型太阳活动主要有太阳耀斑和日冕物质抛射两种形式,日冕中某种剧烈物理过程发生的能量转换可使部分日冕物质被加速到足以脱离太阳而被抛入行星际空间,速度为每秒几百到千余公里不等,带有脱出区域的太阳磁场,流经地球时与地球磁场相互作用而造成地磁扰动及其它效应.
太阳耀斑是一种常见的太阳局部爆发现象,耀斑爆发时伴有紫外和X-射线等短波段电磁辐射的极大增强以及质子、高能电子的大量增加.
另外,前面提到的磁层扰动也能向地球磁尾中的带电粒子提供能量,加速它们使之沿磁力线向极区电离层沉降,产生与质子事件类似的效应,正是这种复杂的日地系统相互作用使得近地空间环境发生扰动并形成一系列空间天气灾害性事件.
太阳活动性有11年左右的周期,太阳活动极大年期间太阳暴发事件发生频繁,强度通常也剧烈得多,但太阳活动高年和低年期间一般可见光辐射并没有显著的变化.
太阳暴喷发的物质需要一到三天到达地球,高能质子只需要几个小时,而X-射线和极紫外以光速传播,8分钟多一点即到达地球,它们和地球高层大气及地球磁场相互作用,强烈影响近地空间环境,尽管扰动一般不会为人们直接感知,但却造成空间灾害性事件,它们大体可以分为以下几类:1.
对人造卫星轨道和寿命的影响:高层大气密度的扰动造成卫星轨道的不规则摄动,在严重扰动条件下,大气密度可以增加百分之几十,使卫星受到的空气阻力大增,从而显著缩短卫星的使用寿命.
2.
对卫星电子系统的影响:在电离气体中运行的物体在和环境电位平衡时带有负电位,在强烈扰动时,电离气体的平均温度大大升高,可使卫星表面充电高达上万伏并在某些尖端和间隙处发生放电,严重干扰电子系统的正常工作;来至太阳或其他来源的能量很高的带电粒子可穿透至卫星内部,沉积在某些计算机的大容量存储芯片中,这种沉积电荷导致存储单元极性反转造成计算机存储数据错误或程序工作紊乱以至死机,即所谓单粒子反转事件.
3.
对无线电波传播的影响:地面的全球中、短波通信靠电离层反射而实现,卫星和地面之间的无线电信息和数据传输必须通过电离层,一切地面和空中的雷达、导航和定位系统均无可避免的依赖电磁波,因此,对电波传播的影响涉及所有的现代信息系统.
耀斑造成电离层底部电子数密度突增以及质子事件时极区电离增强都强烈吸收电波能量而使短波通信中断,天电噪音干扰增加,电离层扰动期间总电子含量增加使电波传播时延增加,同时形成的不规则结构使高频信号幅度和相位不稳定(闪烁),极大地影响导航和定位的精度.
4.
对地面技术系统的影响:太阳爆发造成的全球性电磁环境扰动会使很多重要的地面技术系统受到八、目前对灾害性空间天气的预报情况如何高玉芬1王家龙21.
中国地震局地球物理研究所2.
北京天文台长期的实践经验与因果关系的研究告诉我们,太阳活动是导致灾害性空间天气变化的源.
因而太阳活动预报水平的高低,是决定灾害性空间天气变化预报能力的关键一环.
太阳活动预测,按照预测的时间提前量的大小可以分为三类,即长期太阳活动预测、中期太阳活动预测和短期太阳活动预测.
长期太阳活动预报,主要是预报未来一年以至几十年内太阳活动水平的变化.

这种预报常被用于地球上旱、涝、地震等灾害的预测,因为气象学者多年前就发现了某些地区的年降水量和气温等的变化有类似于太阳活动水平的周期起伏.
航天学家发现,人造地球卫星的寿命长短与太阳活动水平的高低也很有关系.
未来的航天器在空间的工作期间所面临的太阳活动水平,是航天器设计者必须考虑的一个重要因素.
最常用的表示太阳活动水平的指标是太阳黑子数,它是一个特殊定义下的数值.
太阳黑子数的测量已经有了二百多年的历史,尽管它是一个缺乏物理意义的、有缺点的指标,尽管许多人认为太阳在频率为2800兆赫的辐射通量比太阳黑子数更好,但至今黑子数仍被大多数人使用.
上个世纪中期,德国人施瓦布公布了他对太阳黑子进行多年的观测结果,并且首先指出了黑子活动(即黑子数的变化)有长度为10年的周期.
实际上太阳活动具有多种周期,黑子数变化的最显著的周期在11年左右.
许多种太阳活动现象都有约11年的活动周期,但是它们的活动水平并不一定与黑子数呈同位相的变化.
例如,大太阳耀斑的频数的高峰期与黑子数高峰期可有几个月至一两年的时间差.
这样,太阳活动预报者就可以用黑子数变化的周期和其它相关的性质来分析和预测太阳活动的未来情况,预测未来一个太阳黑子周(或简称太阳周)的黑子数的高峰值、高峰期、低谷期和极小值就成了长期太阳活动预测的最重要内容.
可惜的是,这种方法往往不能给出很好的预报结果,依然处于研究与改善之中.
最近两三个太阳周的长期预报实践告诉我们,先兆法似乎可以给出较好的预报.
比如,澳大利亚日地物理学家R.
Thompson用黑子活动极小期(即谷期)的地磁扰动情况做出了很好的黑子数峰值预报.
当然,这类先兆法是不是总能给出成功的预报,还要接受未来的实践考验.
概括的说对空间天气长期预报能力有着决定性影响的太阳活动长期预报的目前水平是,在一个太阳周起始之前预测该周黑子数平滑值的峰值,误差可小于20%,峰期预测误差约1.
5年.
在该太阳周开始之后,预测峰值误差可小于10%,峰期预测误差约为1年.
未来一周内各个年、月的黑子数的预测准确情况,与预测的时间提前量有关,时间提前量越大的预报误差越大.
这个问题也许可由我国学者近年提出的相似周预报法获得一定程度的解决.
中期太阳活动预报是中期空间天气预报的一个重要支住.
它的主要内容是预测未来一个月或27天(即一个太阳自转周的平均时间)的太阳活动总体水平,例如黑子数的平滑月均值或太阳在2800兆赫的辐射通量值,以及预测未来一个月内在哪些天、在日面上何处会有较大的黑子群,会有较多的或较大的太阳爆发产生.
这类预报所涉及的空间天气变化,对于安排航天飞行器发射、空间任务的执行、通讯计划的实施及其它领域的预防措施的考虑具有重要参考意义.

它可以为航天活动、通讯工作、电磁勘探、信鸽竞飞等选择比较安全的时期,避开空间天气可能有的剧烈变化.
它也可以为某些科学实验或研究工作选择空间天气可能会发生相对变化的时段,以便抓住机会做试验和观察.
中期预报的能力,在活动水平的预测方面,是可以相当准确的给出黑子数平滑月均值的连续变化,但在"拐点"的预测上常有落后的表现.
在爆发型太阳活动方面,它可以较好的指出未来的活动峰将在何处出现,但是不能非常准确的告诉我们,未来的活动是否肯定对地球附近的空间环境产生多么大的影响.
中期空间天气变化预报在当前面临的主要难题之一,是我们在地球表面或使用地球附近的人造卫星只能看到太阳向着我们的一面,而观察不到太阳背面的太阳活动进程.

将来人造行星的对日常规观测的实现,会使这个难题迎刃而解.
预报者正在研究的,对起源于太阳的行星际磁场极性边界扫过地球的准确预测,和影响太阳辐射的大黑子群的准确预测一旦成功,必然会令中期预报有更广泛的用途,具有更高的社会和经济效益.
短期预报可以认为是最具有直接应用意义的一种日地扰动或地球环境预测.
短期预测主要在于预报1到2或3日内是否会有太阳X射线爆发、级别如何,是否在地球附近会有太阳质子流量的突然增强——太阳质子事件发生.
当前预报达到的水平,就各种级别的太阳X射线爆发的预报来看,可以报准75%或更多一些.
就太阳质子事件来看,报准率(正确预报质子事件发生的数目与观测到的质子事件数目之比)可达75%以上,报准本领(正确预报质子事件发生的数目与发出的有质子事件发生的预报数目之比)可达70%以上.
要做好短期预报,就需要及时获得地基与空间的观测资料,因而发展空间常规观测和组织地基观测网及资料快速传递网是此项预报的极必要措施.
太阳活动,特别强烈的耀斑爆发、质量抛射(CME)等活动将引起行星际空间、磁层、电离层等整个日地空间各层次的强烈扰动,造成严重的灾害性空间天气,其中磁暴的形成是这种灾害性空间天气的典型代表.
磁暴是一种强烈的地磁扰动,会对人类的航天活动、对通讯、导航、电网、探矿、地下管道、甚至对人类健康产生严重危害,造成军事上和国民经济上的巨大损失.
为减少损失,准确预报磁暴的发生便成为人们苦心追求的目标.
目前对地磁活动性的实时监测与预报已成为空间天气预报的重要内容之一.
地磁活动预报就是对常用地磁指数如Kp、Dst和AE(AL)作出预报,或对地磁活动水平进行分级预报.
预报的时间尺度最长是一个太阳周、其次是27天、几天、几个小时,最短的是对磁暴的及时预报或警报;此外还包括发布地磁场的实时监测结果.
由于地磁扰动,特别是磁暴的能量来源于太阳爆发产生的等离子体流经行星际空间向磁层内的输运所致,因此太阳活动和行星际扰动的信息就成为地磁活动和磁暴预报的基础.
目前地磁预报使用的资料多是由位于L1点的ACE卫星提供的,包括最常用的行星际磁场强度B、分量Bz,太阳风速V和粒子密度n等太阳风的实时观测资料.
由于处于L1的ACE卫星比1AU处的卫星或地面可提前接收到太阳风扰动信息,其记录的实时太阳风资料为地磁活动的实时预报或警报提供了非常宝贵的资料.
其它如SOHO和WIND等卫星提供的太阳活动和行星际扰动实时观测资料也正用于地磁活动性的研究与预报.
以往利用大量卫星记录的行星际参数的观测资料、地面记录的地磁扰动资料和多种数学方法建立的经验的或物理的地磁活动(或磁暴)预报模型在不断经受考验,不断得到改进.
早期根据太阳风和行星际磁场与地磁活动关系建立起的最常用的自回归(AR)预报模型、流动平均(MA)模型和这两个结合的ARMA模型器及多道滤波(MLR)等线性预报技术仍在使用和发展;这些线性模型与相空间重构技术结合发展成非线性模型.
目前广泛用于地磁预报的方法是人工智能技术,即AI(ArtificialIntelligence)技术.
现在已发展了许多种AI技术,包括人工神经网络、专家系统、模糊方法、遗传算法等等.
人们把这些方法总称为智能混合(系统)方法,即IHS(IntelligentHybridSystems).
这些方法在非线性动力系统运作下学习数学功能并且能解释所学到的东西;这些方法与物理模型相结合已取得了可喜的结果.
当前用于地磁等空间天气预报的几种神经网络是前馈多层后向传播网,即MLBP(feed-forwardMulti-LayerBackpropagation)网及其扩展的带有反馈的Elman网,自组织图网,即SOM(self-organizedmap)网,和径向基函数网,即RBF(radial-basisfunction)网.
瑞典Lund大学给出的Lund空间天气预报模型是利用这些技术的例子.
各发达国家都建立了自己的空间环境中心,对空间环境进行24小时不间断的监测,发布实时空间天气状况和对未来空间天气的预报或警报,而对地磁的监测与预报是其重要内容之一.
目前全球虽然有十个空间天气警报中心,但最为重要和有效、起主导作用的是美国国家海洋和大气管理局的空间环境中心(SEC/NOAA).
它向全球各警报中心和有关单位提供ACE等卫星的实时太阳和地球物理事件和整个空间环境的监测和预报;管理日地物理研究,发展预报技术,普及有关知识.
下设的SWO(SpaceweatherOperations)全天24小时提供实时监测资料、现报(now-casts)、预报(forecasts)及太阳活动的综合情况.
SEL除了提供实时预报地磁活动之外,还提供1—3天地磁活动预报,27天每日最大Kp指数预报.
他们根据Kp指数对地磁扰动进行分级,在给出分级预报结果的同时,还给出每一级扰动可能引起的影响.
研究发展部下设的RPC(rapidPrototypingCenter)则迅速对使用的模型和资料进行评估以决定其取舍或改进,这种作法可以使预报模型不断得到改进和更新,有用的资料及时投入使用.
实际上很多工作是SEC与空军合作进行.
除空军之外SEC还与许多部门合作推进空间环境预报工作.
他们为改进地磁预报工作正在利用Wang-Sheeley模型进行地球附近的太阳风速度和行星际磁场极性的预报,目前可提供1-7天的预报.
利用这一模型的结果可使地磁扰动预报的时间尺度大大增加.
另外海军研究实验室NRL(NavalResearchLaboratory)利用它们自己的模型和太阳风资料进行Dst指数实时预报实验,经用历史资料的检验,对大磁暴发生预报的成功率在70-80%,预报时间从几个小时到10-20小时.
Goddard太空飞行中心GSFC(GoddardSpaceFlightCener)、Berkley大学也提供Dst指数的实时预报.
GSFC还提供AE、AL、AU极光电集流指数和极盖指数PC预报.
所有这些预报及相关的资料均通过因特网向全球发布.
殴空局瑞典的Lund空间天气中心也是重要的空间环境预报中心.
他们利用SEC提供的ACE卫星资料和他们发展的神经网络模型实时预报AE等极区电集流指数、Dst指数和Kp指数,同时提供GIC(GeomagneticallyInducedCurrents)及其影响的预报.
而Lund与日本学者合作发展的Dst指数实时预报模式则是先利用NOAA/SEC提供的实时ACE太阳风资料估计模型的重要参数,再用Boit-Savart定律对整个三维电流密度进行积分,实时计算Dst指数,每5分钟更新一次,这是直接从物理模型和实时太阳风资料预报Dst指数的例子.
日本东京警报中心也发布1-3天的地磁预报和磁暴警报.
另外加拿大、澳大利亚等国家也较好地开展了这方面的工作.
电离层骚扰预报也是空间天气预报的重要内容之一,其发展情况也与地磁活动或磁暴预报相似.
虽然由于卫星和地面观测、资料处理的数学方法和磁暴形成的理论研究都已有了长足进展,预报水平也有了较大提高,但整个日地空间发展变化的复杂性使得目前还不能完全准确预报磁暴发生的时间与强度.
尽管磁暴源于太阳的强烈喷发,但人们也发现这两者之间远不是一一对应的关系,成功预报地磁活动和磁暴还有很长的路要走.
北京是空间环境十大警报中心之一,但相比之下我国这方面工作有较大差距.
八、目前对灾害性空间天气的预报情况如何高玉芬1王家龙21.
中国地震局地球物理研究所2.
北京天文台长期的实践经验与因果关系的研究告诉我们,太阳活动是导致灾害性空间天气变化的源.
因而太阳活动预报水平的高低,是决定灾害性空间天气变化预报能力的关键一环.
太阳活动预测,按照预测的时间提前量的大小可以分为三类,即长期太阳活动预测、中期太阳活动预测和短期太阳活动预测.
长期太阳活动预报,主要是预报未来一年以至几十年内太阳活动水平的变化.

这种预报常被用于地球上旱、涝、地震等灾害的预测,因为气象学者多年前就发现了某些地区的年降水量和气温等的变化有类似于太阳活动水平的周期起伏.
航天学家发现,人造地球卫星的寿命长短与太阳活动水平的高低也很有关系.
未来的航天器在空间的工作期间所面临的太阳活动水平,是航天器设计者必须考虑的一个重要因素.
最常用的表示太阳活动水平的指标是太阳黑子数,它是一个特殊定义下的数值.
太阳黑子数的测量已经有了二百多年的历史,尽管它是一个缺乏物理意义的、有缺点的指标,尽管许多人认为太阳在频率为2800兆赫的辐射通量比太阳黑子数更好,但至今黑子数仍被大多数人使用.
上个世纪中期,德国人施瓦布公布了他对太阳黑子进行多年的观测结果,并且首先指出了黑子活动(即黑子数的变化)有长度为10年的周期.
实际上太阳活动具有多种周期,黑子数变化的最显著的周期在11年左右.
许多种太阳活动现象都有约11年的活动周期,但是它们的活动水平并不一定与黑子数呈同位相的变化.
例如,大太阳耀斑的频数的高峰期与黑子数高峰期可有几个月至一两年的时间差.
这样,太阳活动预报者就可以用黑子数变化的周期和其它相关的性质来分析和预测太阳活动的未来情况,预测未来一个太阳黑子周(或简称太阳周)的黑子数的高峰值、高峰期、低谷期和极小值就成了长期太阳活动预测的最重要内容.
可惜的是,这种方法往往不能给出很好的预报结果,依然处于研究与改善之中.
最近两三个太阳周的长期预报实践告诉我们,先兆法似乎可以给出较好的预报.
比如,澳大利亚日地物理学家R.
Thompson用黑子活动极小期(即谷期)的地磁扰动情况做出了很好的黑子数峰值预报.
当然,这类先兆法是不是总能给出成功的预报,还要接受未来的实践考验.
概括的说对空间天气长期预报能力有着决定性影响的太阳活动长期预报的目前水平是,在一个太阳周起始之前预测该周黑子数平滑值的峰值,误差可小于20%,峰期预测误差约1.
5年.
在该太阳周开始之后,预测峰值误差可小于10%,峰期预测误差约为1年.
未来一周内各个年、月的黑子数的预测准确情况,与预测的时间提前量有关,时间提前量越大的预报误差越大.
这个问题也许可由我国学者近年提出的相似周预报法获得一定程度的解决.
中期太阳活动预报是中期空间天气预报的一个重要支住.
它的主要内容是预测未来一个月或27天(即一个太阳自转周的平均时间)的太阳活动总体水平,例如黑子数的平滑月均值或太阳在2800兆赫的辐射通量值,以及预测未来一个月内在哪些天、在日面上何处会有较大的黑子群,会有较多的或较大的太阳爆发产生.
这类预报所涉及的空间天气变化,对于安排航天飞行器发射、空间任务的执行、通讯计划的实施及其它领域的预防措施的考虑具有重要参考意义.

它可以为航天活动、通讯工作、电磁勘探、信鸽竞飞等选择比较安全的时期,避开空间天气可能有的剧烈变化.
它也可以为某些科学实验或研究工作选择空间天气可能会发生相对变化的时段,以便抓住机会做试验和观察.
中期预报的能力,在活动水平的预测方面,是可以相当准确的给出黑子数平滑月均值的连续变化,但在"拐点"的预测上常有落后的表现.
在爆发型太阳活动方面,它可以较好的指出未来的活动峰将在何处出现,但是不能非常准确的告诉我们,未来的活动是否肯定对地球附近的空间环境产生多么大的影响.
中期空间天气变化预报在当前面临的主要难题之一,是我们在地球表面或使用地球附近的人造卫星只能看到太阳向着我们的一面,而观察不到太阳背面的太阳活动进程.

将来人造行星的对日常规观测的实现,会使这个难题迎刃而解.
预报者正在研究的,对起源于太阳的行星际磁场极性边界扫过地球的准确预测,和影响太阳辐射的大黑子群的准确预测一旦成功,必然会令中期预报有更广泛的用途,具有更高的社会和经济效益.
短期预报可以认为是最具有直接应用意义的一种日地扰动或地球环境预测.
短期预测主要在于预报1到2或3日内是否会有太阳X射线爆发、级别如何,是否在地球附近会有太阳质子流量的突然增强——太阳质子事件发生.
当前预报达到的水平,就各种级别的太阳X射线爆发的预报来看,可以报准75%或更多一些.
就太阳质子事件来看,报准率(正确预报质子事件发生的数目与观测到的质子事件数目之比)可达75%以上,报准本领(正确预报质子事件发生的数目与发出的有质子事件发生的预报数目之比)可达70%以上.
要做好短期预报,就需要及时获得地基与空间的观测资料,因而发展空间常规观测和组织地基观测网及资料快速传递网是此项预报的极必要措施.
太阳活动,特别强烈的耀斑爆发、质量抛射(CME)等活动将引起行星际空间、磁层、电离层等整个日地空间各层次的强烈扰动,造成严重的灾害性空间天气,其中磁暴的形成是这种灾害性空间天气的典型代表.
磁暴是一种强烈的地磁扰动,会对人类的航天活动、对通讯、导航、电网、探矿、地下管道、甚至对人类健康产生严重危害,造成军事上和国民经济上的巨大损失.
为减少损失,准确预报磁暴的发生便成为人们苦心追求的目标.
目前对地磁活动性的实时监测与预报已成为空间天气预报的重要内容之一.
地磁活动预报就是对常用地磁指数如Kp、Dst和AE(AL)作出预报,或对地磁活动水平进行分级预报.
预报的时间尺度最长是一个太阳周、其次是27天、几天、几个小时,最短的是对磁暴的及时预报或警报;此外还包括发布地磁场的实时监测结果.
由于地磁扰动,特别是磁暴的能量来源于太阳爆发产生的等离子体流经行星际空间向磁层内的输运所致,因此太阳活动和行星际扰动的信息就成为地磁活动和磁暴预报的基础.
目前地磁预报使用的资料多是由位于L1点的ACE卫星提供的,包括最常用的行星际磁场强度B、分量Bz,太阳风速V和粒子密度n等太阳风的实时观测资料.
由于处于L1的ACE卫星比1AU处的卫星或地面可提前接收到太阳风扰动信息,其记录的实时太阳风资料为地磁活动的实时预报或警报提供了非常宝贵的资料.
其它如SOHO和WIND等卫星提供的太阳活动和行星际扰动实时观测资料也正用于地磁活动性的研究与预报.
以往利用大量卫星记录的行星际参数的观测资料、地面记录的地磁扰动资料和多种数学方法建立的经验的或物理的地磁活动(或磁暴)预报模型在不断经受考验,不断得到改进.
早期根据太阳风和行星际磁场与地磁活动关系建立起的最常用的自回归(AR)预报模型、流动平均(MA)模型和这两个结合的ARMA模型器及多道滤波(MLR)等线性预报技术仍在使用和发展;这些线性模型与相空间重构技术结合发展成非线性模型.
目前广泛用于地磁预报的方法是人工智能技术,即AI(ArtificialIntelligence)技术.
现在已发展了许多种AI技术,包括人工神经网络、专家系统、模糊方法、遗传算法等等.
人们把这些方法总称为智能混合(系统)方法,即IHS(IntelligentHybridSystems).
这些方法在非线性动力系统运作下学习数学功能并且能解释所学到的东西;这些方法与物理模型相结合已取得了可喜的结果.
当前用于地磁等空间天气预报的几种神经网络是前馈多层后向传播网,即MLBP(feed-forwardMulti-LayerBackpropagation)网及其扩展的带有反馈的Elman网,自组织图网,即SOM(self-organizedmap)网,和径向基函数网,即RBF(radial-basisfunction)网.
瑞典Lund大学给出的Lund空间天气预报模型是利用这些技术的例子.
各发达国家都建立了自己的空间环境中心,对空间环境进行24小时不间断的监测,发布实时空间天气状况和对未来空间天气的预报或警报,而对地磁的监测与预报是其重要内容之一.
目前全球虽然有十个空间天气警报中心,但最为重要和有效、起主导作用的是美国国家海洋和大气管理局的空间环境中心(SEC/NOAA).
它向全球各警报中心和有关单位提供ACE等卫星的实时太阳和地球物理事件和整个空间环境的监测和预报;管理日地物理研究,发展预报技术,普及有关知识.
下设的SWO(SpaceweatherOperations)全天24小时提供实时监测资料、现报(now-casts)、预报(forecasts)及太阳活动的综合情况.
SEL除了提供实时预报地磁活动之外,还提供1—3天地磁活动预报,27天每日最大Kp指数预报.
他们根据Kp指数对地磁扰动进行分级,在给出分级预报结果的同时,还给出每一级扰动可能引起的影响.
研究发展部下设的RPC(rapidPrototypingCenter)则迅速对使用的模型和资料进行评估以决定其取舍或改进,这种作法可以使预报模型不断得到改进和更新,有用的资料及时投入使用.
实际上很多工作是SEC与空军合作进行.
除空军之外SEC还与许多部门合作推进空间环境预报工作.
他们为改进地磁预报工作正在利用Wang-Sheeley模型进行地球附近的太阳风速度和行星际磁场极性的预报,目前可提供1-7天的预报.
利用这一模型的结果可使地磁扰动预报的时间尺度大大增加.
另外海军研究实验室NRL(NavalResearchLaboratory)利用它们自己的模型和太阳风资料进行Dst指数实时预报实验,经用历史资料的检验,对大磁暴发生预报的成功率在70-80%,预报时间从几个小时到10-20小时.
Goddard太空飞行中心GSFC(GoddardSpaceFlightCener)、Berkley大学也提供Dst指数的实时预报.
GSFC还提供AE、AL、AU极光电集流指数和极盖指数PC预报.
所有这些预报及相关的资料均通过因特网向全球发布.
殴空局瑞典的Lund空间天气中心也是重要的空间环境预报中心.
他们利用SEC提供的ACE卫星资料和他们发展的神经网络模型实时预报AE等极区电集流指数、Dst指数和Kp指数,同时提供GIC(GeomagneticallyInducedCurrents)及其影响的预报.
而Lund与日本学者合作发展的Dst指数实时预报模式则是先利用NOAA/SEC提供的实时ACE太阳风资料估计模型的重要参数,再用Boit-Savart定律对整个三维电流密度进行积分,实时计算Dst指数,每5分钟更新一次,这是直接从物理模型和实时太阳风资料预报Dst指数的例子.
日本东京警报中心也发布1-3天的地磁预报和磁暴警报.
另外加拿大、澳大利亚等国家也较好地开展了这方面的工作.
电离层骚扰预报也是空间天气预报的重要内容之一,其发展情况也与地磁活动或磁暴预报相似.
虽然由于卫星和地面观测、资料处理的数学方法和磁暴形成的理论研究都已有了长足进展,预报水平也有了较大提高,但整个日地空间发展变化的复杂性使得目前还不能完全准确预报磁暴发生的时间与强度.
尽管磁暴源于太阳的强烈喷发,但人们也发现这两者之间远不是一一对应的关系,成功预报地磁活动和磁暴还有很长的路要走.
北京是空间环境十大警报中心之一,但相比之下我国这方面工作有较大差距.

九、国际空间天气发展态势如何张贵银1冯学尚21.
北京应用气象研究所2.
中国科学院空间应用与研究中心,空间天气研究室1995、1996年美国相继推出其"国家空间天气发展战略计划"及其执行计划之后,空间天气研究和应用迅速发展为事关国家安全、经济建设和人民生命活动的国家行为,已经和正在成为世界军事强国、军事大国、乃至发展中国家竟相发展的一个高科技领域,成为超级大国征服和控制空间不可或缺的重要组成部分.
空间天气研究和应用也迅速发展为一门多学科高度交叉综合的新兴学科.
1.
国际空间天气研究概况国际空间天气研究最早可追溯到20世纪40年代,只不过当时不叫空间天气研究,也不叫空间环境探测研究,而是很具体地叫电离层探测研究,是美国军方为解决二次大战中发生的通信、导航等问题而开始的.
随着人造地球卫星、洲际弹道导弹、宇宙飞船、空间站发射升空等空间活动的不断增加,空间环境的探测范围才逐步从电离层、中高层大气、扩大到了磁层、乃至整个日地空间.

随着空间开发利用的不断发展,人们对空间天气的保障需求日益迫切.
探测、研究、认识、掌握空间环境条件,为人类的空间开发利用服务,日益成为空间开发利用不可或缺的重要组成部分.
美国把人造卫星送上天以后不久,于1965年便成立了空间环境实验室,1995年更名为国家空间环境中心,专门研究空间环境及其对航空航天活动的影响.
我国为成功研制、发射第一颗人造地球卫星,于20世纪60年代便在许多单位开始了空间环境研究.
各国在开展空间天气研究的同时,逐步建立起较完善的覆盖全球各空间层次的空间环境探测系统,研制出一批空间环境描述和预报模式,并于20世纪90年代初,初步具备了提供空间天气预报、警报的能力.
这标志着国际空间天气研究已经从基础理论研究、工程设计和建设走向了应用和服务.
但是,鉴于科技发展水平的限制和人们的认识能力,目前空间天气预报能力,还只相当于20世纪40-50年代天气预报的水平.
冷战时期,空间天气研究是为国家战略服务,产品发布范围有限,密级很高,鲜为人知,所以当20世纪80年代有人提出空间天气的名词概念的时候及随后相当长一段时间内,"空间天气"的提法并未引起人们的注意,直至1995年、1996年美国相继推出其"国家空间天气发展战略计划"及其执行计划之后,空间天气的名词概念及其研究和应用才引起世界各国科学家和政府的关注,并迅速发展起来.
2.
国际空间天气研究的发展趋势(1)将进一步加强空间天气探测研究空间环境探测是空间天气研究的基础.
没有探测,空间天气研究就成为无本之木,无源之水.
目前,有关国家都在大力加强日地空间的整体探测研究,尤其是近地空间环境中的空间天气探测研究,因为这是最具实际应用价值的领域.
利用全球导航定位系统探测千公里以下地球大气(包括传统气象探测的中性大气和空间天气研究关注的电离层大气)的试验研究正在世界范围内蓬勃兴起.

(2)将进一步加强空间天气模式研制模式的研究和建立是为了提高空间天气预报和警报水平.
当前空间天气预报主要依靠经验预报和统计预报,模式预报是近年来一直致力解决的问题,主要难题在于:建设模式的思路是否正确和完善,模式输入参数能否实时获取、是否可靠等.
美国空间天气战略计划委员会负责人KileBaker曾公开在国际互联网上征集空间天气模式和建模思路,哪怕只是模式的名称或缩写名.
由此可见空间天气模式研制的难度和美国对空间天气模式研制的急切程度.
(3)灾害性空间天气研究将成为未来研究和发展的重点灾害性空间天气对人类空间活动和生存环境可能直接造成严重影响,而且这种影响一旦产生,代价将十分昂贵和惨重.
所以,灾害性空间天气的研究将成为未来研究和发展的重点,也是难点.
这在美国、欧洲、前苏联、日本和印度等国家空间天气战略计划和国际合作性的空间天气探测和研究计划中,都得到了充分反映.
(4)事后分析研究将得到进一步加强所谓事后分析就是对空间系统已经出现的问题进行分析研究,以确定空间天气是否是引起航天器故障和异常的作用因子.
这是空间天气研究为高科技发展保驾护航的一个新举措,大概从20世纪90年代中期才开始被列为空间天气研究的重点内容之一的.
事后分析研究的重要性在于:由于科技发展水平和人们认识能力等方面的原因,到目前为止,科学家们还不可能对空间天气及其可能的影响作出定量的分析研究,借助事后的分析,可以更好地帮助认识空间天气对空基和地面技术系统和人类生存空间的影响,积累经验,以采取必要的防范措施,避免或减少灾害性空间天气的影响.
(5)人工影响空间天气将成为一个新的研究热点如同人工影响天气一样,人工影响空间天气也在悄然兴起.
美国在"2025年拥有天气"中就把"人工控制、影响近地空间环境",尤其是"电离层",作为其维护和控制空中和空间优势的重要内容.
在人工影响电离层方面已经研究、开发出许多方法.
比如,向电离层喷洒化学制剂,通过电磁辐射或离子、中性粒子、x-射线等粒子束(流)来加热或充电电离层.
前苏联进行地基人工影响高层大气的技术包括高频垂直加热、倾斜加热、微波加热和磁层影响等.
特别值得重视的是许多人工影响高层大气的技术已经成功地进行试验论证.
(6)空间天气研究日益走向军民结合在过去的几十年中,国际上的空间开发利用呈现明显的军民结合、以军为主的特点.
大部分空间计划以科学研究的民用的面目出现的,但实际空间计划的投资中将近3/4用于军事目的,民用项目仅占1/4.
在实际应用中,也充分体现出军民结合、以军为主的特点.
如美国的GPS全球导航定位系统,是为军用研制开发出来的,但是民用系统也可以利用;"发现号"航天飞机是宇航局的,但它专供军队使用,项目经费就是军队提供的;"哥伦比亚"号和"挑战者"号是民用的,但它也奉命进行军事项目的试验;在北约对南联盟的空袭行动中,北约投入的50多颗卫星,就包括军用卫星和民用卫星.
空间开发和应用中的这种军民结合、以军为主的战略,决定了空间天气的研究和应用也具有这一特色.
比如美国政府和国防部各有其独立的空间天气的研究和预报保障机构,但同时相互之间又签有合同,互为备份力量.
在具体工作中,更有着广泛的联系和合作.

日本早在1989年制定的以建立空间天气预报中心为核心的长期空间天气计划(包括分期建立计算机网络系统、观测太阳活动的地面设备、以卫星为基础的空间环境监测系统等)中,也特别强调国内各方面的协调与合作.
(7)空间天气研究的国际合作与交流不断扩大这是一种需求互动.
以美国为核心的西方大国,尽管在空间天气的探测、研究和应用领域已经取得了实质性的进展,但在空间天气探测、研究、建模、预报等方面仍然存在许多需要改进、完善的环节.
所以他们在积极发展自己的空间天气研究的同时,广泛谋求国际合作.
同时,为了树立并维护其空间霸主的形象和地位,甚至是为了其商业需要,他们也需要有条件地兜售其空间技术和资助.
另一方面,空间天气研究起步较晚、技术和国力比较落后的国家和地区,则希望得到大国的技术和资金援助.
目前,这种交流和合作的形式主要有:Inter网网际交流,各种国际会议交流,制定并实施各国和国际空间天气探测研究计划.
十、我国为推动空间天气学的发展做了哪些努力于晟朱志文国家自然科学基金委员会地球科学部由于还没有哪个人的帽子被太阳风吹掉过,空间天气的变化似乎对大家的生活没有太大的影响,但是随着空间科学认识的深入、探测技术的提高和手段的多样化,科学家们越来越明确地认识到空间天气的变化对我们人类活动不但有影响而且是危害十分大.
因此,空间科学家们把研究的重点逐渐转到了对空间天气的研究上来.
空间天气(SPACEWEATHER)一词最初是在90年代初出现的,因此空间天气对于全球的科学家来说都是比较新的概念.
我国科学家对空间天气的研究并不比发达国家晚,在国际上提出空间天气概念时我国科学家已经有了相当的积累,并已经开始对空间灾害性天气进行了较为系统的研究.
除此以外,我国在与空间天气有关的人才积累、观测与探测技术以及相关的战略计划研究方面已经或正在取得很好的进展,概括起来主要有以下几个方面:1、科学的积累空间天气学涉及的空间范围包括太阳表面、太阳风、行星际、磁层、电离层和热层,其研究特点是定量地认识日地关系的变化,全面地认识日地系统复杂的物理过程,为解决空间灾害事件和空间天气预报奠定基础.
国家自然科学基金委员会从"八五"开始陆续支持了《日地系统能量转输过程的研究》和《日地空间灾害性扰动过程及其对人类活动的影响》两个重大项目以及如《日冕物质抛射现象的研究》、《地球磁层环境的全球变化过程及其效应》、《地磁场全球变化的研究》和《极区电离层-磁层耦合与极光动力学的研究》等四个重点项目,同中国科学院共同支持了《太阳22周峰年整体行为研究》等.
经过科学家们多年的努力,我们对太阳与地球空间环境的奇妙而复杂的联系有了一定的认识,对驱动并且使这一个复杂的空间天气系统藕合起来的物理机制的有了初步了解,为开展空间天气预报奠定了一定的科学基础.
2、人才的积累随着与空间天气有关的重大、重点及其它各类项目的进行,一批空间科学的优秀人才汇聚到了这一新的领域.
从1997年开始,由国家自然科学基金委员会地球科学部、中国科学院空间科学与应用研究中心、南京大学和信息产业部22所共同主办了我国《空间天气学》系列报告会.
至今已经进行了三次.
来自中国科学院、航天部、二炮、总参气象局、外交部、高等院校、中国地震局和信息产业部等20个单位,百多位专家和领导参加了会议.
1996年5月,1998年8月中国空间科学学会空间物理专业委员会与中国科学院空间科学中心联合举办了两届空间环境预报高级研讨班.
这些报告会和研讨班都得到了与会者的积极响应和高度重视,会上展示的成果紧扣国际前沿热点问题,表明我们的研究队伍已经与国际水平接轨.
3、观测与探测技术按照探测的方式和使用的运载工具的不同,可以分为:地面探测、气球探测、火箭探测、卫星探测和在空间站上进行探测.
利用卫星和在空间站上进行探测是研究和预报空间天气的主要手段.
当前我国在观测与探测技术方面已经有了一定的基础,我国的科学气球能力已处于亚洲前列,仅居美、法之后;已建成我国海南探空火箭综合研究基地;基本具备对太阳观测的能力,如:太阳多通道望远镜、动态快速射电频谱仪,Ha精细结构望远镜,太阳磁场、太阳光谱和太阳射电观测方面已居世界先进水平;"九五"重大科学工程"东半球空间环境地面综合监测子午链"即《子午工程》实施后,将提供有关各种空间灾害性天气变化的数据;正在积极组织实施的双星探测计划,力争在2001-2002年太阳活动峰年期间发射双星,并与ClusterII国际欧空局协调组(IACG)组织有关卫星相配合;充分利用我国实践5号卫星的探测数据,加强国际合作,参加国际空间天气学计划.
可以说进行空间天气的研究和预报的观测与探测技术条件已经基本具备.
我国是一个空间大国,在卫星发射技术方面已进入国际先进行列,但在空间探测方面与发达国家相比还存在较大差距.
为建立我国日地空间立体观测系统,有关部门正在作出极大的努力.
4、战略计划研究展望未来,随着我国国民经济的发展,国防建设和科学技术的发展,应用卫星、载人飞船、空间站及地基技术系统的安全正常运行与剧烈变化的空间天气条件越来越密切,制定"我国空间天气战略计划"势在必行.
由国家自然科学基金委员会牵头组织,国家信息产业部22所、中国科学院所属北京天文台、空间中心等十五个部门和单位的代表参加的"我国空间天气战略计划"编研工作于1999年2月20日正式启动.
在空间天气领域尝试制订国家战略计划,在我国还首次.
制订我国空间天气战略计划的目的是,在我国对空间天气研究的现有基础上,进一步提高我国对空间天气的监测、研究与预测能力,力争于2015年左右实现与国际接轨;加强宏观调控,合理利用相应资源,把各部门分散的力量集中起来,在空间天气领域建立一个高效的、综合的、部门间协调一致的工作程序、研究体系和技术体系,为国家提供实时、精确和可靠的空间环境观测和预报,为解决国家发展高科技所面临的空间环境问题作出贡献.
这次编研工作,在按航天、军事、信息、科研和经济5个领域进行调研并写出调研报告的基础上,进行综合与编写.
调研的重点是,要明确我国在2015年前,特别是在"十五"期间,该《战略计划》应该干什么怎么干国家在该领域应办哪几件事关全局的大事部门应办什么明确国家办的与部门办的大事之间的关系等.
《战略计划》既要体现国际发展趋势,又应从中国国情出发,有前瞻性和可操作性.
我国空间天气学战略计划研究正在进行中,期望得到政府有关部门的关注和支持,加强协调配合,并逐步组织实施,为推动我国空间天气学的发展做出贡献.
总之,我们的科学家已经做好了准备,我们的科学基础、人才和观测与探测技术都有了很好的积累,我们期待为空间天气学的发展,为更好地认识宇宙空间,为人类更美好的未来作出更大的贡献.
资料:重要的空间灾害性天气事件简介冯学尚(中国科学院空间科学与应用研究中心,空间天气研究实验室)有关空间灾害性天气事件的报道,早在十九世纪中叶随着电报业在英国、法国及美国地区的业务扩展,人们越来越注意到空间天气对人类活动,尤其是通讯方面的影响.
最先人们看到极光的出现与电报机产生的干扰有关,Barlow,1849年记载了1847年3月、9月和10月份有关英国电报机打印针的歪斜,并指出产生最大歪斜恰好是在出现极光的时候.
Prescott,1866年在他的书中描述到,1848年11月17日从Florence到Pisa的电报出现干扰与当时出现的极光相符合.
他相继描述了1861年9月"一道明亮的极光导致英格兰所有电报台站全线着魔,并持续中断而妨碍了全国的电报业务.
在美国东北部Bain市的一部电报机所用的化学纸被当时产生的电流烧穿.
O.
S.
Wood先生作为加拿大电报总署官员说明了当时的情况:"1859年8月28日至9月2日,整个电报线路完全受到极光穿透的影响,电报台站间根本无法通讯,被迫在晚间关闭".
有关这次事件,在美国NewYork,Washington,Philandelphia,Vermont,Massachussetts及欧洲的Gothenburg,Sweden等地都有报道.
在9月2日那一天,法国所有电报台站全部出现故障.
Anogot1897年在他的著作中收集了一些有关空间天气变化引起当时电报业务中断的重要事件,并指出极光穿透产生特殊电流从而使电报业务中断.
1869年5月30日出现的极光使在Basle市超过16个电报站不得不停机,有六个台站的电报机持续2个小时都还无法投入使用.
在1870年4月和10月极光出现频繁的时期,由于经常产生特殊电流,电报通讯的干扰显得越发严重.
欧洲的所有线路都受到影响,使Cologn和London间长时间无法联系,这时在英国、法国、德国、澳大利亚、意大利、土耳其都观测到了特殊电流.
信息传输在海底电缆中亦严重受阻,如Lisbon到Gilbraltar,Suez到Aden,Aden到Bombay,Breast到Duxbury等.
大西洋海底电缆的地电效应曾一度错误地归结为地震.
有关线路上产生强电流一事,据记载美国1882年11月17日至少产生了比电报机通常使用强五倍的电流.
在1891年NewYork和Buffalo之间西部连线约450至480英里范围,记录到768伏特的电动力,地球电流强度有好几次达到300毫安,而正常的工作电流不会超过35毫安.
Burbank1905年给出了美国从NewYork到ElizabethN.
J.
输变电线路上详细观测了受干扰期间电压变化,包括210伏特在内,约每公里9伏特.
在十九世纪末二十世纪初叶,电报业务员都配备了耳机电话,在1894年3月30至31日发生的磁暴在线路上产生了地电,使他们都能听到变化的哨声.
而1903年10月31日的大事件,引起世界范围的电报系统紊乱,从英国、法国、美国和其他地区都受到相关报道,很多站点几乎完全受到干扰控制长达数小时无法工作.
1921年5月瑞典报道了一家电报设备由于强电流引起火灾,原因一直不明,时间也无法确定,Chapman和Bartel1940年指出,在当时,即1921年5月13至15日发生过特大磁暴.
美国和加拿大电力公司1940年首次报告了灾害性空间天气对电力系统的影响.
由于高压线路上产生的数百伏电压起伏,电力大幅度震荡,从而损坏了变压器.
1946年3月28日和9月22日,加拿大Ontario先后报道了PortArthur和CrowRiver地区变压器的损坏和失灵,与此同时,美国和挪威电话和电报系统也有反应.
非常巧合的是十一年后,即1957年9月22日,由于变压器内核浸透过度在地面转换的三级调和电流造成230千伏高压输变线路中断.
1958年2月10日,加拿大Toronto地区遭受全面停电的痛苦.
传输线缆中产生的高压电流在供电电路中产生严重扰动,造成电闸损坏或电缆老化,使得电力系统无法供电.
1980年10月及1981年4月,从Manitoba到Minnesota的500千伏高压线路损坏.
1982年7月瑞典的四个变压器共15条线路同时损坏.
第二十一周太阳活动高年期间,着实在北美地区产生了严重影响.
Bozoki等人在1996年的回顾中描述了诸多现象.
1989年3月13到14日加拿大Quebec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.
在瑞典5条110千伏高压线路受损.
9月19日加拿大公共电气系统公司的变压器遭到毁坏.
10月20日、11月17日及1990年3月30日由于受到中性非平衡影响造成SC失效.
1991年3月24日在瑞典有九条220千伏输变线和一个变压器被损坏,在美国的SVC电容板损坏、调变器产生报警.
1991年5月28在Quebec的过滤器避雷针失效,1991年10月28日在NewEngland到Quebec的线路无法投入使用.
11月美国的电力系统亦受到影响.
太阳活动会严重影响地球空间环境,破坏空间和地面技术系统.
1997年1月11日,美国AT&T公司的一颗价值2亿美圆,设计使用寿命为12年的同步轨道通讯卫星(401)失效,它仅服务了3年,这可能归咎于1月6日的日冕物质抛射事件(CME)随着第22太阳活动周的到来,太阳活动大事件日益频繁.
1999年8月5日、2000年4月、6月及7月14日,都发生了CME事件并引起了不小的磁暴,目前正置太阳活动高年期间,强烈的太阳活动严重地影响了整个卫星技术系统,单粒子事件增加,星载计算机内存撞击产生幻影指令,传感器紊乱,电力下降及出现姿态控制问题.
各有关部门也正抓紧做好空间天气研究与预测及防护工作.
空间方面—破坏卫星上的计算机和其它电力系统;使地球大气层膨胀,造成探头故障,使对卫星和空间碎片的跟踪更加困难;低空卫星翻滚,姿态失控;在能量粒子方面—使卫星表面带电,跟踪系统、电力板等光敏部件性能下降,卫星电池漏电,单粒子事件增加,宇航员眼中出现闪烁,高空放射性辐射严重;质子事件加剧,卫星上存储器内存撞击,产生莫名其妙的幻影命令;在地磁方面—产生大的地磁暴和极区电激流亚暴,改变地球磁场,干扰地下深处的石油钻头的信号;在管道和其他大型金属系统中引起电流,在发电厂和电网中产生重要影响,使控制装置跳闸断电,甚至烧坏变压器;在电离层方面—"罗兰系统"信号消失,中断来自全球定位系统单频道的导航信号;影响高频无线电波和短波通讯,干扰卫星蜂窝电话系统;事件二太阳活动峰年期人类活动将受到危害(中国科学院日球物理数值研究开放实验室,魏奉思)太阳给地球和人类提供光和热,人类可以在阳光的普照下,创造现代物质文明.
"水可以载舟,也可以覆舟".
太阳同时又是一个输出巨大能量和物质,极富变化的天体.
它输出的X射线,于8分钟到地球,高能量的带电质子、电子于几小时到地球,以超音速每秒数百公里到上千公里速度向外吹出的太阳风暴于二、三天吹到地球.
太阳爆发活动常激起太阳风暴侵扰地球空间环境,造成空间灾害性天气事件,给人类活动带来严重危害和巨大损失.
随着第23周太阳活动峰期(2000—2001)的来临,太阳风暴对人类活动的影响将日益频繁和严重.
上一个太阳活动周峰期,1989年3月发生了近代科学史上罕有的空间灾害性天气事件.
在此事件期间,由于高层大气加热、膨胀使卫星高度的大气阻力增加,使"太阳峰年卫星"提前陨落、大量飞行物轨道改变,造成新发射飞行物的跟踪辨认困难;美国民用、军用极轨低高度气象卫星无法释放因磁场异常变化所积累的力矩,而影响姿态.
对地静止通信卫星为维持其正常姿态,两天内所耗的燃料相当于正常运行一年的用量:这期间因电离层扰动,低纬无线电通讯几乎完全失效,轮船、飞机导航系统失灵,海军的火星高频通讯网络在全球范围发生中断;高能粒子流量这期间的突然增强,致使日本同步气象卫星指令系统一半失效或永久损坏,宇航员眼睛的视网膜受高能粒子轰击而闪光;地球磁场的突然下降使加拿大魁北克一个巨大输电系统因强的的感应电流在电网回路上产生,加之电站建在电导率较低的花岗岩上,感应电流主要加在电网上,因高温过热烧毁了变压器而引起电网损坏.
6百万居民停电9小时之久,损失功率近200亿瓦,直接经济损失达5亿美元.
美国新泽西州的一座核电站的巨型变压器也因磁暴感生电流过强,融化了可耐3000安培电流的电阻丝,使其烧毁,停电一个多月,造成损失也有2500万美元.
这次空间灾害性天气事件,给众多国家的空间、地面技术系统造成了巨大损失,使政府有关部门和日地物理科学家、卫星工程技术专家.
认识到人类社会发展所面临的空间灾害的严重性.
这一个太阳活动周,太阳物理学家们预期是2000—2001年.
随着它的临近,曾接连发生了如下几次空间灾害性天气事件.
1997年1月6—12日期间,美国一颗保险寿命为12年、价值为2亿美元的通讯卫星,只工作了3年便因恶劣的空间天气条件而失效,引起国际范围的日地物理科学家和有关的卫星、工程专家以及公司总裁们的广泛关注和研究.
认为可能的原因是猛烈的太阳风暴使整个地球磁层的结构被强烈压缩,致使卫星遭受高能电子流强突增的破坏.