过去10年间(1995~2006年),航天、通信等高技术领域进入了蓬勃发展的时期,迅速形成巨大产业。数百颗卫星在空间运行,维系着当今世界经济全球化的平稳发展,在商业、贸易、金融、减灾救灾、全球气候变化、能源利用、土地资源、生态环境监测、政府管理和国家安全等领域发挥着越来越大的作用。自1957年人类进入空间时代开始,已发射大约6000个航天器,目前在轨运行近1000个,未来10年也将有近千颗卫星升空。人类社会发展越来越依赖空间技术系统,空间卫星技术将变成大多数国家都用得起、都会用、都要用的技术。由于空间技术系统的脆弱性、昂贵性、长效性、重要性和高风险性,如何减轻或避免空间天气对这些庞大的卫星系统和相关技术系统带来的重大损伤,保障它们安全、良好地运行和效能的最大化发挥,成为一种紧迫需求。在如此重大的社会发展和国家利益面前,美国于1995年率先制定了国家空间天气战略计划,航天、通信、导航、电网、资源考察、生命与健康作为空间天气关系国家利益的七个重要领域被列在该计划中。随之而来的是法国、德国、英国、俄罗斯、日本、加拿大、澳大利亚诸多国家相继制定国家空间天气起步(Initiation)计划;一些国际组织如空间研究委员会(COSPAR)成立相应的空间天气专门委员会,国科联(1998年改为国际科学理事会)所属日地物理科学委员会(SCOSTEP)组织日地系统空间气候和天气(CAWSES)国际计划,设立空间天气科学与应用专题委员会等。特别值得提到的是由美国宇航局牵头、几乎所有与卫星有关的国家都参加的一个规模空前的、有数十颗卫星参与的国际与太阳同在计划(International Living with A Star)。该计划“是一个聚焦于空间天气、由应用驱动的研究计划”。
10年间,由于众多国家和国际组织把空间天气领域作为一种国家行为和国际行为付诸实施,使之迅速成为国际科技活动的热点之一。在这种态势下,空间物理进入空间天气学发展新阶段,日地空间物理科学与空间技术应用走向结合,空间天气科学取得跨越发展。主要表现在如下两个方面:
一是空间天气的监测能力空前提升。以1995年由美、欧宇航局联合发射的SOHO飞船为代表。该飞船位于地球和太阳之间引力平衡处的拉格朗日L1点,实现24小时全天候监测太阳活动,给地球空间系统的空间天气变化研究提供不间断的太阳、行星际观测数据和提前半小时左右的警报。其后相继发射ACE(先进成分探测)、Cluster(磁层集簇)、THEMIS(磁层亚暴)、RHESSI(高能太阳谱成像)、TIMED(中高层大气的能量和动力学)、IMAGE(磁层成像)、AIM(中层大气冰物理)、TRACE(过渡区和日冕探测)、STEREO(日地关系观测站)、Hinode(太阳升起)等卫星,它们和以前发射且尚在运行中的诸多卫星构成了对日地空间系统探测研究的壮观景象,使人类第一次具有对一次空间灾害性天气事件在不同空间区域的全球过程提供监测数据的能力。
二是空间天气的研究、建模和预报有了长足进步。国际日地能量传输计划(STEP)、日地系统空间气候与天气(CAWSES)、地球空间环境建模(GEM)等国际科学计划的实施,围绕太阳物质抛射活动的太阳初发过程、日地行星际空间的传输过程以及地球空间系统的响应这一条主线,空间天气事件的整体性、集成性的全球整体行为研究开始进入因果关系耦合链研究的发展阶段,特别是在基本物理过程,如太阳风的加热、加速、磁重联、粒子加速等研究方面有了重大进展;有关太阳、行星际、磁层、电离层和中高层大气近20种重要空间天气建模研究取得进展,并向业务化需求过渡。特别是美、欧等国在中高层大气和电离层方面取得的进展开始能满足通信保障和军事活动的部分需求,并向建模集成方向努力。目前,空间天气预报处在以经验预报为主、物理过程为基础的数值预报为辅的起步阶段。空间天气的警报和现报能力由于SOHO、ACE飞船的每天24小时不间断观测而有了可喜的进展。但就中短期的预报水平而言,还不能令人满意,其预报能力可能落后地球天气三四十年,预期再有10年至20年左右的时间,将赶上或接近地球天气的预报水平。
过去10年,由于空间天气科学与应用走向结合,大大提升了研究、建模与预报的水平,从而使空间天气科学对人类空间活动的安全保障作用突显出来。正如美国国家空间天气十年评估委员会指出的:“美国有关安全、商贸和科学进步所依赖的许多重要技术系统会受到空间天气事件的影响,制度化的预报和防护机制业已取得重要的跨越。”
我国社会对空间天气科学重要性的认识以及在国家行为方面相对美、欧国家要滞后一段时间,尚处于起步发展阶段。这主要是由我国科技发展水平以及由此而产生的需求水平,经济实力和传统的重“硬件”轻“软件”、重现实轻长远等诸多因素所决定的,需要有一个认识、实践、再认识的过程。令人高兴的是,发改委、科技部、航天部、中科院、基金委等部门正在经历从认识到决策、行动的过程之中。
从国家级工程项目看,东半球空间环境地基综合监测子午链工程(简称“子午工程”),就是科技部和发改委针对空间天气领域,从1994年起就开始支持、其后又获国家科教领导小组批准的我国重大科学工程之一。航天部门成功实施了地球双星计划、夸父计划等,正在从预研向工程立项的推动之中。
从基础研究看,基金委从上世纪80年代就开始持续支持“八五”、“九五”、“十五”和“十一五”重大基金项目。确立“空间环境与空间天气”为优先发展领域之一;打破常规第一次用重点项目来资助夸父空间天气探测卫星方案的提出;资助空间天气学创新群体;2002年最早组织调研中国空间天气发展战略建议、组织“空间天气与人类活动”调研宣讲组等等,对我国空间天气事业的发展发挥了引领新学科形成、不断拓展其发展空间的不可替代的重要作用。科技部相继支持“十五”、“十一五”的“973”基础研究重点项目,批准中科院空间天气学重点实验室晋升为空间天气学国家重点实验室,支持国际空间天气子午圈计划,等等,为我国空间天气科学的可持续发展进行了重要的基地建设。中国科学院从1994年起就一直支持日球物理数值开放实验室,后经整合更名为空间天气学重点实验室,进入中科院知识创新工程,支持实验室的海外创新团队,并积极推动国际空间天气子午圈计划等。国家和有关部门通过多种渠道和方式还支持了“863”若干应用基础方面的研究。
另外,从体制、机制方面看,一些部门还组建了有关的空间天气中心、非法人的预报研究单元等等。所有这些都为我国在空间天气起步阶段就实现跨越发展创造了条件,也使我们对未来十年实现在保障能力上的跨越发展充满信心。
(魏奉思,中国科学院院士、空间科学与应用研究中心研究员;于晟,国家自然科学基金委地球科学部)