7.3.1 科学目标
空间天气研究的总体目标是：以日地系统不同空间层次的空间天气过程研究为基础，形成空间天气连锁过程的整体性理论框架，取得有重大国际影响的原创性新进展；建立日地系统空间天气事件的因果链模式和发展以物理预报为基础的综观预报方法，为空间天气预报与服务实践做贡献；实现多、大跨度学科交叉，重点针对信息、材料和生命科学等领域，开拓空间天气对人类活动影响的研究，为应用部门的防护和决策提供科学依据；发展空间天气探测新概念和新方法，提出空间天气系列卫星的新概念方案；提出有重要创新意义的探测空间天气变化的新原理、新技术和新方法，立争1－2颗空间天气卫星国家立项，开拓空间天气研究新局面；
六大研究主题具体目标是：
(1) 空间天气驱动源：研究CME和耀斑的触发机制，建立它们的初发过程和动力演化模型；确定它们的物质和能量的输出；证认CME的日面源区及其主要特性；揭示对CME近地效应起作用的物理参数及其物理原因；提出诊断高能粒子能量分布的新方法，确定其加速区的位置和物理参数，提出有关加速机制的新看法。
(2) 行星际空间天气过程：改善对太阳日冕物质抛射通过日冕和行星际空间传输的基本过程的认识；初步建立以太阳物质输出源表面为基础的行星际三维结构和扰动传播模式，构建日球天气图；发展太阳日冕物质抛射－行星际扰动－地磁活动因果链模式和预报方法。
(3) 地球空间天气过程：通过分析卫星探测和地面观测数据，揭示各种行星际条件下影响地球空间天气过程的主要因素，研究它们对太阳活动和行星际扰动的响应规律及变化机理，建立符合观测实际的物理模型，并在此基础上发展不同类型的预报模式与方法。
(4) 空间天气中若干重要的等离子体理论问题：通过对空间天气中若干共同的重要等离子体理论问题开展深入的研究，进一步了解日地空间各层次中爆发现象和各层次间耦合过程的物理实质，推动我国空间等离子体物理研究的发展，并为空间天气预报寻找指示性的标志。
(5) 空间天气对人类活动的影响及其模式和预报方法研究：开拓空间天气对信息系统、空间材料和空间生命的影响机理、防护对策和评估模式的研究领域；在认识日地过程物理联系的基础上，寻找表征各个空间区域扰动状态和效应的关键预报指标，探索以物理过程研究为基础的、综观的空间天气预报模式。探索减轻和防止空间灾害的途径。
(6) 空间天气探测中的新概念和新方法：研究对日冕物质抛射及太阳辐射和高能粒子爆发进行成像和高精度观测的新方法；发展对磁层、电离层和中高层大气进行成像和遥感探测的各种新技术；开展空间天气探测系列卫星的概念性研究，为建立我国独立自主的对空间天气进行连续监测的空间和地面观测体系打下基础。
7.3.2 核心科学问题
按六大研究主题分别介绍相应核心科学问题如下：
7.3.2.1 空间天气驱动源
CME和耀斑是太阳上最剧烈的爆发现象，也是造成灾害性空间天气的主要驱动源。一次CME可抛射多达1012-1013公斤的等离子体，运动速度可达到2000公里/秒以上。这些物质带着冻结在其中的磁场进入行星际空间，当它们撞击到地球磁层时，可产生磁暴、电离层暴和其它扰动。常出现在磁云前面的激波又是行星际高能粒子的重要来源。耀斑在103秒内释放出从射电到γ射线的全波段辐射，并抛射出大量高能粒子。这些剧增的电磁辐射和高能粒子，直接使电离层和地磁场产生强烈扰动。作为灾害性空间天气的驱动源，CME和耀斑成为空间天气研究中基本的、首先要研究的对象。自从20世纪60年代以来，国际上先后开展了对耀斑和CME的空间观测，发射了Skylab（70年代），SMM（80年代），CGRO（90年代），Yohkoh（90年代至今），SOHO（90年代至今），TRACE（90年代至今）以及HESSI（2001年开始）等一批卫星，配合众多的地面望远镜的观测，开创了耀斑和CME全方位、全波段研究的新纪元。
从空间天气的角度看，当前CME和耀斑研究的前沿关键科学问题有：
(1) CME和耀斑的前兆、触发机制和初发过程
现在一般都认为，CME和耀斑是太阳磁场不稳定性的产物，也提出了由磁重联和磁场不稳定性产生CME和耀斑的若干理论模型。但由于对CME和耀斑前兆和触发观测甚少，特别是缺乏对日冕磁场的直接观测，再加上理论中的各种近似假定和不确定性，使得目前理论与观测结果之间存在很大分歧。对于CME的初发过程至今仍基本上不了解；对于磁场重联的基本图像依然缺乏明确的观测证据；CME和耀斑的关系也没有确切的答案。因此，从观测和理论两个方面研究诸如CME和耀斑的前兆、基本磁场拓扑结构、磁场重联和大尺度磁场不稳定性的关系、它们的初发过程、CME和暗条爆发及耀斑的关系等就成为重要的前沿科学问题。
(2) CME的源区证认和源区物理过程研究
虽然空间观测已经提供了关于CME在低日冕初发源区的某些资料，但是系统地证认产生CME的日面源区，特别是详细研究CME源区的物理特性，包括磁场位形、动力学特征，磁场与等离子体的相互作用、磁场、电流、螺度的演化以及低日冕源区的活动现象等，都是十分重要的研究课题。这是理解CME的重要前提。
(3) 太阳高能粒子的诊断和加速机制
耀斑和CME产生的高能粒子是空间天气的重要扰动源之一。近年来，主要通过射电和空间X射线和γ射线的观测和理论探索，已经对太阳高能粒子的流量、能谱、时间演化和加速机制等进行了许多研究，并发展了由谱线偏振和轮廓诊断高能粒子的新方法。但是，至今对太阳高能粒子的特性及其加速机制仍缺乏明确的了解；一些关键性的科学问题还需要深入研究。例如，如何由不同波段的观测自洽地确定高能粒子的能谱？如何准确地确定高能粒子低能截止阈？如何确定高能电子和高能质子的相对比例和重要性？高能粒子加速的源区及其物理参数是什么？什么加速机制能同时有效地将粒子加速到高能？等等。
(4) 耀斑和CME的动力学过程及其物质和能量输出
不同类型耀斑和CME的动力学演化过程始终是一个重要的研究课题。只有充分了解其演化过程，才可能对它们在空间天气中产生的各种随时间变化的暴发过程有明确的认识。由于受观测条件的限制，目前对耀斑和CME的三维结构仍缺乏清晰的了解，对于它们各种物理参数，包括磁场、密度、温度、形态结构等随时间的演化仍然了解不多，特别是对CME和耀斑所产生的磁场、物质、动量和能量的输出，缺乏定量的、可靠的测定，而这些对研究空间天气是至关重要的初、边值条件。
(5) CME对地有效性的研究
不同的CME往往造成地球附近空间环境的不同扰动和变化。从造成灾害性空间天气严重程度的角度考虑，特别重要的是要研究CME的众多物理参数中，如尺度和位置、速度和方向、磁场位形和强度、质量和内部结构等，哪些对CME的近地效应强弱起了决定性的作用？在什么背景条件下它们可以起决定性的作用？原因何在？只有弄清了这些基本问题，才能有效地、正确地对CME造成的灾害性空间天气做出及时的预报。
7.3.2.2 行星际空间天气过程
行星际空间是空间天气驱动源所释放的巨大能量、动量和物质影响地球空间天气变化所必经的传输通道。自太阳向外以超音速运动的太阳风等离子体携带着磁场持续不断地充满着行星际空间，构成行星际空间天气的背景结构。时间尺度为小时、天、月的高能带电粒子、激波、共转流、磁扇形边界等结构，在背景结构上的向外传输和相互作用，构成了丰富多彩的行星际空间天气画卷。
行星际空间这个传输通道，是一个非线性的耗散系统，它存在各种间断面、磁云结构、各种激变和耗散过程、不同时空尺度过程相互作用，等等。所有这些使得空间天气驱动源所引起的太阳风暴（扰动）传输到地球空间时，常常面目全非。因此，行星际空间天气过程的研究成为了解整个日地空间天气过程的纽带，是了解和预报地球空间天气变化的输入条件和基本依据。日冕物质抛射及其引起的激波通过行星际空间的传播一直是国际日地能量计划（STEP）、太阳周研究计划（ISCS）和日地系统气候和天气计划（CAWSES）以及"与星同在"（LWS）中关注的科学热点之一。未来十年，把太阳驱动源－行星际扰动－地磁活动作为一个有机联系的链来加以研究，是行星际空间天气过程研究的主要发展趋势。该研究主题的科学目标是：改善对太阳风暴通过日冕和行星际空间传输的基本过程的认识，初步建立以太阳物质输出源表面为基础的行星际三维结构和扰动传播模式，构建日球天气图，发展太阳日冕物质抛射－行星际扰动－地磁活动因果链模式和预报方法。
当前行星际空间天气研究的关键科学问题有：
(1) 太阳源表面结构及其演化
太阳等离子体和物质输出源表面是一个物理界面，位於2~3个太阳半径处，它的输出结构及其演化，控制着行星际空间天气的背景结构及其演化，为了解行星际空间天气过程提供重要的初边值条件。它是空间天气学研究的一个新生长点，输出结构如何自洽给定，有何演化规律，太阳磁场的控制作用过程等，都是研究难点；
(2) 行星际太阳风的三维结构
它是了解行星际动力学过程的基础，特别是太阳驱动源所引起的行星际扰动与不同的行星际太阳风三维结构间会有不同的非线性相互作用过程发生，它将使相同的太阳扰动到达地球附近时会有不同的太阳风暴面貌发生。不同结构间相互作用、太阳扰动的调制以及数值方法等都是重要课题；
(3) 各种间断面对行星际扰动传播的影响
行星际空间中存在的多种间断面，如电流片、激波间断、接触间断、活塞驱动界面、阿尔芬间断等，它们在改变行星际扰动的能量、动量和质量的转换、耗散和分配过程中的作用，以及由此而引起等离子体和磁场的拓扑结构和传播特性发生的重要改变，都是非常重要的问题；
(4) CME／激波的行星际传播过程
将来自太阳驱动源的CME通过日冕区和行星际的传播作为一个统一的过程，涉及扰动跨越不同性质、结构的日冕区和行星际的动力学过程，对模型的物理和数学的自洽描述都是极富挑战性问题，它们将为了解地球附近太阳风暴提供科学依据；
(5) 行星际磁场南向分量的形成和演化
行星际磁场南向分量是行星际空间天气影响地球空间天气变化的一个重要判据，它主要控制着行星际扰动与地球磁层之间的耦合过程。它相对等离子体动能讲是1级小量，其形成与演化受太阳和行星际过程的复杂调制，研究十分困难。
7.3.2.3 地球空间天气过程
地球空间 （geospace）是由地球磁层、电离层和中、高层大气组成的太空区域。磁层位于地球空间的最外层，离地面一至数千公里以上。在向阳面磁层边界（称为磁层顶）离地心平均11个地球半径( )； 在背阳面磁层可伸延到数百至上千个 之外，称为磁尾。电离层处于磁层和地球中性大气之间，是大气中分子和原子被电离的区域，下边界高度为60公里左右。对流层以上的中性大气统称中高层大气，其中与电离层高度重叠的部分叫做热层；热层和对流层之间为中层，它包括中间层(50-80公里)和平流层(对流层以上至50公里)。地球空间是人造地球卫星、航天飞机与空间站的飞行区域，是目前人类开发和利用太空资源、从事对地观测与太空科学试验、进行太空军事进攻与防御的主要活动领域，也是危害人类活动与生存环境的灾害性空间天气的直接发生地。
在太阳电磁辐射与粒子辐射的变化和行星际扰动的影响下，地球空间环境和状态发生剧烈变化。其中许多变化威胁航天活动与宇航员安全，影响通讯、导航和定位精度，损坏地面技术系统，并影响地球大气与生态环境，其时间尺度为几分钟到几天，与低层大气和地面的天气现象相当，被称为地球空间天气。地球空间主要的灾害性空间天气有：
磁暴：磁暴是整个磁层持续几小时到几天的剧烈扰动，其主要特征是地球的大部分地区地磁场水平分量显著减小。多数大磁暴是由日冕物质抛射事件（CME）引起的。CME压缩磁层，常使向阳面磁层顶退缩到同步轨道（6.6 ）以内。地球穿过太阳风高速流和低速流的相互作用区时也产生磁暴；这类磁暴具有27天重现性。磁暴期间极光和电离层电流增强，极光带扩展并向低纬移动；同步高度附近辐射带高能电子通量突增（"高能电子事件"），引起卫星内部充电，可导致卫星失效。地磁场的剧烈扰动干扰通讯、导航、预警和水下侦察系统，并可损坏地面高压输电系统和输油管道。强磁暴是最严重的灾害性空间天气。
磁层亚暴：磁层亚暴是由持续时间较短的行星际磁场南向分量引起的，它发生在磁层夜晚面，持续2－3小时，平均一天出现4－5次，每次释放一个中等地震的能量，是最经常发生的空间天气。磁层亚暴增强磁层－电离层电流，引起强能电子沉降，产生极光，加热极区电离层、热层，并将强能和高能带电粒子注入环电流和辐射带。磁层亚暴可导致同步轨道和极轨卫星充电，并引发电离层亚暴和热层亚暴。电离层亚暴主要出现在极区，与极盖吸收事件（见下）类似，可造成通信中断。
磁层粒子事件：磁层粒子事件是指磁层中各种粒子增强事件，如磁暴和亚暴强能粒子注入事件、电离层上行离子事件、极区电子沉降事件、辐射带高能电子与离子突增事件，等。这些事件与亚暴与磁暴的发展密切相关。高能相对论电子具有极强的穿透力，能进入并积聚在卫星内部电介质材料中，产生高达数千伏的电位差。由此引起的放电脉冲可损坏卫星材料，破坏电子器件，导致卫星报废，是同步高度通讯卫星、导航卫星和高纬低轨卫星面临的最大威胁。
电离层暴：伴随着磁暴在全球范围内电离层密度分布、电子总含量、温度和电离层电流体系发生剧烈扰动，统称电离层暴。和磁暴一样，电离层暴也有"急始型"和具有27天重现性的"缓始型"两种，持续时间为几小时到几天。电离层暴引起电离层分层混乱，常导致短波通讯中断，长波信号相位异常，严重干扰卫星通讯，影响导航精度，是危害极大的空间天气。
电离层突然骚扰：太阳耀斑引起紫外射线和X-射线暴发，经8分钟到达地球以后，电离层低层电离度突然增加，电波吸收剧烈增强，导致向阳面无线电信号衰落，天波相位异常，持续数分钟到数小时。电离层突然骚扰期间，远距离高频通讯几乎完全中断，破坏性极大。
极盖吸收事件：CME和耀斑抛射大量的太阳高能质子，数小时后进入极区电离层和大气层。电离层低层电子密度增加，高频信号吸收增强，跨极区通讯受到破坏。高能质子还可深入中层大气，破坏臭氧层。有的高能带电粒子也可达到低纬同步高度。极盖吸收事件通常持续数天到一星期之久。
电离层不规则结构：电离层中存在大小不同的各种不均匀体。大气声重力波产生水平尺度为几百到几千公里"电离层行进扰动"；中性风的剪切造成水平面积为数百到数千平方公里的"散见E层"；电离层不稳定性可形成尺度为几公里至几米的"扩展F"和精细结构。上述各种电离层不规则结构主要受底部和背景大气动力学过程的影响，在太阳和磁层输入的能量增加时，发展得更为显著。电离层不规则结构对电波产生折射和散射，引起电波相位和幅度的闪烁，其影响从短波一直扩展到卫星通信和全气球定位系统(GPS)的L波段和广播卫星的C波段。
热层暴和热层亚暴：磁暴和磁层亚暴引起的热层扰动，称为热层暴或热层亚暴。在热层暴和热层亚暴期间，大气温度和密度增加，可改变卫星轨道，导致卫星提前陨落，并使热层和中层大气环流发生变化。磁层等离子体的行为由其与磁场的相互作用所决定，而电离层中中性成分在很大程度上控制着电子和离子的运动状态，这就在本质上与磁层不同。因此，地球空间天气过程可划分为两个既独立又相互耦合的子系统：磁层天气过程和电离层与中高层大气天气过程。有关磁层天气基本过程研究的关键科学问题有：
(1) 行星际扰动与磁层的相互作用
几乎所有的灾害性磁层天气都与磁层顶磁场重联有关。迄今对不同行星际扰动和磁层相互作用时磁层顶的三维结构和重联过程所知甚少。磁场重联研究基本上还局限于二维数值模拟。揭示不同行星际条件下磁层边界区的三维多尺度结构及其与磁层能量传输过程的关系，是当前最迫切的任务。三维磁场重联和太阳风－磁层相互作用的全球数值模拟，具有重大的科学意义和应用前景。
(2) 磁层天气对不同的太阳和行星际条件的响应特征
太阳风通过太阳风－磁层发电机、磁层顶磁场重联和不稳定性与反常输运等过程向磁层传输能量。揭示不同行星际条件下磁层的能量传输区域和传输途径及其对磁层电场、磁层对流和磁层－电离层电流体系的影响，对了解磁层天气对太阳和行星际扰动的响应特征具有关键性的意义。这也是国际空间局协调组（IACG）提出的当前国际合作研究第三战役的科学目标之一。
(3) 磁层亚暴的机理与模型
磁层亚暴有直接驱动和装－卸载两种不同的能量传输过程；能量的突然释放或发生在行星际磁场南向期间，或在其由南转北后，这就造成了亚暴形态的复杂性和亚暴预报的困难性。现在虽已经认识到亚暴触发区近磁尾，又与中磁尾磁场重联有密切关系；但离开建立能全面揭示观测特性的亚暴模型仍有很远的距离。亚暴机理与模型仍然是当前最有挑战性的课题之一。
(4) 磁暴的机理与模型
磁暴是由位于地心距(3－4) 处的环电流产生的。长时间足够强的行星际对流电场的存在，是导致环电流增强的原因。但对环电流离子的加速和注入过程还不清楚。环电流中起源于电离层的氧离子显著增多可能是产生强磁暴的主要因素。电离层氧离子的上行、加速和注入过程已成为急待解决的问题。磁暴与亚暴的关系也是磁暴机理研究和磁暴预报的基本问题。
(5) 磁层粒子事件的起源、效应和辐射带动态过程
磁层粒子事件与亚暴与磁暴的发展密切相关。亚暴强能电子与离子的增能和电离层上行离子加速过程，虽已研究多年，至今仍悬而未决。高能相对论电子引起的卫星内部充电是同步高度和高纬低轨卫星的最大威胁。相对性电子的来源、加速和再分布过程已成为空间天气研究的热点问题。辐射带粒子强度与太阳活动和地磁活动密切有关，其动态模型是当前空间技术和科学极为关心的课题。
有关电离层、中高层大气空间天气过程的关键科学问题有：
(1) 电离层暴的全球形态和演化特征及电离层暴和磁暴的相互作用
关于电离层暴的形态迄今已有许多分析，但对其全球形态和演化特征还认识的很不够。对磁暴影响电离层暴的机理，也缺乏系统了解。这一课题对揭示电离层天气的全球过程和磁层－电离层耦合对电离层天气的影响有重要意义。
(2) 电离层不规则结构的探测和激发机制
目前对电离层不规则结构的形成机制已有了一些共同的法，如中低纬散见E层与风剪切有关。然而用这一机制全面解释散见E层形态仍存在严重困难；高纬散见E层还没有完整的理论。赤道扩展F是某些电离层等离子体不稳定性引起的，但它饱和及转化为湍流的过程需用非线性动力学和数值模拟进行深入研究。中、低纬扩展F的完整理论还有待建立和检验。探测电离层不规则结构需要建立甚高频相干雷达和高功率非相干散射雷达。
(3) 热层环流和电离层耦合的三维数值模型研究
热层大尺度运动由中性压强梯度推动，但受离子和电离层电场的强烈影响；环流本身又反过来控制电离成分的分布和运动。我国已开展了二维数值模型研究。考虑热层背景、扰动环流及其与电离成分的自恰相互作用和外源（磁层和行星际）的影响，进行三维数值模拟研究，是揭示电离层和中高层大气天气过程的重要环节。
(4) 中高层大气光化学、动力学、热力学联合作用下的三维局地和全球过程研究。
中高层中大气同时受光化、辐射、动力学和热力学作用，中层和热层的能量分别由辐射收支和电离吸收及热传导决定，形成极为复杂的热结构。此外，中高层大气除与电离成分相耦合外，又上与行星际空间及磁层相关，下与对流层相互作用，且易受人类活动的干扰和影响，是地球空间中最复杂和具有特殊意义的区域。本课题对揭示空间环境和地面环境的相互影响，包括研究全球变暖和温室效应有重大意义。然而，对卫星来说，这一区域太低，对气球而言又太高，是迄今探测得很少的区域。随着激光雷达和MST雷达的出现和卫星遥感与光学观测手段的改进，这一"观测禁区"已被打开。需要尽快开展多手段的联合监测，资料综合分析及开展耦合研究。
7.3.2.4 空间天气中若干重要的等离子体理论问题
日地空间各区域中（除地球中层大气外）都充满着等离子体。等离子体中带电粒子之间的长程作用及其与电场和磁场的相互耦合，激发很多种波和不稳定性，产生丰富和复杂的非线性现象。日地空间各种空间等离子体物理过程不但对各层次空间天气现象的形成和演化起着决定性的作用，而且也是等离子体物理学的重要研究内容。对空间等离子体基本过程的研究，已形成了空间物理学和等离子体物理学交叉的分支学科－空间等离子体物理学。探索空间天气的驱动源、研究行星际扰动传播和揭示磁层与电离层天气对太阳和行星际扰动的响应过程，都离不开空间等离子体物理学。为了了解空间天气过程中日地空间各空间层次的特性及各空间层次之间耦合和关联的实质，搞清太阳暴发现象影响空间环境的物理机制，必须对空间天气中若干共同的、重要的等离子体理论问题开展深入研究，争取有所突破。
空间天气中等离子体理论的关键科学问题有：
(1) 空间等离子体加热和带电粒子加速机制
等离子体加热和带电粒子加速是空间等离子体能量传输和转换的重要方式，也是驱动和引发空间天气现象的重要机制。极区磁层和大气层的太阳质子事件起源于耀斑和日冕物质抛射事件(CME)产生的高能粒子。磁层亚暴和磁暴对带电粒子的加速是辐射带和环电流粒子的重要起源。日冕加热和太阳风加速机制一直是空间物理学引人注目的前沿课题。这里涉及到各种不同能量的高能离子和电子的产生过程、传播特性及其对空间环境的影响；带电粒子和激波及各种等离子体波动的非线性相互作用等过程。
(2) 空间等离子体波动和不稳定性的激发机制
波和不稳定性是等离子体中最常见的现象，是空间等离子体中能量传输和转换的又一种基本方式。空间天气现象的发生和发展，常常伴随着等离子体不稳定性和波的激发与演化。例如CME和耀斑是太阳磁场不稳定性的产物；磁层亚暴的暴发与磁尾不稳定性密切有关。太阳风加速的能量很可能来自日冕和太阳风中的波动。这里涉及的基本问题有：空间等离子体宏观和微观不稳定性的激发和演化；各种波动（电磁波、静电波、Alfven波、磁声波等）的形成过程；等离子体输运系数（反常电阻率、扩散系数、粘滞系数等）的物理性质等。
(3) 空间无碰撞激波的物理特性
无碰撞激波（行星际激波和地球舷激波）是宇宙和空间等离子体独特的现象，其过渡层中耗散效应的起源，至今仍是等离子体物理学尚未解决的难题。CME和耀斑产生的行星际激波是高能粒子加速源。地球舷激波对穿越它的行星际扰动有放大和调节作用。无碰撞激波的结构、形成和演化，它们与空间等离子体及行星际结构的相互作用以及带电粒子通过无碰撞激波的加速机制和运动特征等，都是应该深入研究的前沿问题。
(4) 磁场重联的基本物理过程
等离子体中磁场拓扑位形突然发生改变的过程称为磁场重联。它是一种重要的空间等离子体物理现象。磁场重联在空间天气的驱动和引发过程中起着十分关键的作用。太阳大气磁场重联可能是CME和耀斑的触发机制；磁层顶区的磁场重联可导致太阳风向磁层输运能量和等离子体；磁层亚暴的触发可能起源于磁尾磁场重联。行星际电流片也可能发生磁场重联。磁场重联是带电粒子加速和等离子体加热的重要机制。三维磁场重联过程中磁场拓扑位形的变化、磁场与等离子体热能和动能之间的转化过程以及磁场重联与各种波动的关系是磁场重联研究中最受关注的问题。混合模拟和完全粒子模拟研究是我国急待发展的前沿方向。
(5) 非线性空间等离子体物理研究
等离子体本质上是非线性的。空间天气的发生、发展充满丰富的非线性过程。除磁场重联、反常输运、无碰撞激波、波－粒子作用和带电粒子加速之外，空间等离子体系统的分维和分形、空间带电粒子的混沌运动、太阳风和磁尾等离子体湍流和部分电离等离子体的物理特性等，都是有待探索的非线性问题。空间等离子体物理现象的实验室研究也应该重视和开展。
7.3.2.5 空间天气对人类活动的影响及其模式和预报方法研究
随着高技术的迅猛发展，随着人类活动范围向太空的不断扩大，空间环境越来越显示出对人类社会发展的重大影响和制约。发生在空间环境中的灾害性天气事件（或过程）造成了一系列严重灾害和巨大损失，阻碍着人类对这一新的环境领域的利用，因而，越来越来引起军事、通讯、航天、电力等部门的关注。对空间环境，特别是灾害性空间天气过程的监测、诊断、预测和预报的紧迫性和重要性，要求空间物理学刻不容缓地解决空间天气的预报问题，昨天还是基础研究的空间物理，今天面临着新的严重挑战：社会需求不仅要求空间物理学家说明空间天气过程的物理机制，而且，要求他们回答，灾害性时间何时发生？有多严重？会造成怎样的后果？
空间天气对人类活动的影响及其预报的关键性科学问题有：
所有空间天气过程都发生在从太阳到地球大气这一广阔的空间领域。所以对空间天气过程的认识，依赖于对平静的和扰动的太阳大气、行星际空间、磁层、电离层和热层、中高层大气深入了解。在认识日地过程物理联系的基础上，发展有预报意义的、综观的空间天气模式，它需要把物理的、经验的、统计的知识结合在一起，形成一个能说明整个空间天气发生、发展、对地效应的因果链模型，一个能给出具体参数的模型，一个"无缝隙"的预报模型。
(1) 探索各空间区域的预报指标，发展有效的预报方法
在不同的空间区域，环境状态相差很大，引发灾害性后果的因素各不相同，有的是高能粒子，有的是电磁场状态，有的是各类等离子体波。所以，对于空间天气预报来说，一个重要的课题是，寻找表征各个空间区域扰动状态和效应的关键预报指标。
当前的空间天气预报尚处于初级阶段，经验预报和统计预报仍是主要方法?quot;追踪式"的现报依赖于发射并维持日地空间各个区域的探测器，而且预报的时间提前量通常很小，限制了它的实用性。预报的发展方向是物理预报。当前，在继续发展经验预报方法的同时，应注重在物理研究的基础上，探索以物理预报为主的综合预报方法。这样，不仅可以为现实需要服务，而且可望取得创新性进展。
(2) 研究空间环境灾害性事件对人类活动的影响
收集、分析、归纳、总结各类空间天气事件效应，研究来自太阳的X射线、紫外辐射、高能带电离子流以及太阳风暴吹过地球空间所引起的电磁环境、粒子环境、热力学环境变化等带给不同工作波段的信息系统的影响、对空间材料和电子器件的损伤与破坏、以及在空间特殊条件下对空间生命，特别是宇航员生命安全有关的机理研究。预测未来空间天气事件对信息、材料、生命等领域的影响，提出效应评估模式，探索减轻效应和防护途径。
7.3.2.6 空间天气探测中的新概念和新方法
空间探测是空间天气研究的基础。研究和预报空间天气需要有连续、实时的空间与地面的观测数据。由于空间天气涉及的空间范围巨大，需测量的物理参数繁多，它涉及磁场、等离子体、带电粒子、c 射线、g 射线、稀薄气体、电磁场波动、极光和气辉等许多物理量的变化。与一般的科学实验卫星相比，空间天气卫星要求按空间天气发生、发展的日地过程和时序关系，设计具有更强的成像能力和覆盖更大空间范围的卫星系列。
现有的探测概念、技术和方法远不能适应空间天气研究的需要，必需不断提出新概念、新技术和新方法。拓宽探测的空间区域，测量原来不能测量的物理量，提高原来可测量的物理量的探测水平。
空间探测新概念和新方法的应用，对空间天气研究至关重要。例如，对于空间天气的驱动源之一的日冕物质抛射（CME），目前还只能在其运行路径上直接测量其参数。如果能对其在行星际空间的运动状态成像，获得实时的"CME天气图"，对CME效应的预报就可提到很高的水平。再如，如果能对极光、辐射带、环电流和近磁层进行成像观测，象看云图那样观测磁层的整体形态，磁暴和磁层亚暴的发生和演变过程就可以一目了然。
目前，空间技术比较发达的国家十分重视空间天气探测中的新概念、新方法研究，并取得了新进展。如美国的IMAGE卫星，采用了"中性原子成像"技术，使人们可以"看"到高能离子的空间分布。欧洲空间局CLUSTER-II卫星，采用4颗卫星组成的星座结构，可测量物理量的三维分布；美国计划发射的TIMED卫星，用紫外成像遥感技术，可测量距离地面60~500公里的高层大气参数，从而填补对低热层和中层探测的空白。因此，空间天气探测新概念、新方法研究，将为持续不断地取得重要原创性发现提供坚实的基础。
7.3.2.7 空间天气探测的关键性新方法和新技术
(1) 空间太阳观测
发展高分辨率太阳c射线成像方法和技术；太阳高能粒子探测的新方法、新技术；研究太阳表面全矢量高精度磁图的测量方法和技术。
(2) 行星际空间探测
研究对日冕物质抛射和在行星际太阳风中传播的成像原理、方法和技术，以及近地空间太阳风遥感测量的新方法、新技术。
(3) 磁层和辐射带测量
研究磁层整体成像技术，磁层顶和磁层内各种边界层的成像技术，内、外辐射带和环电流整体成像技术，极光成像观测技术。发展测量三维分布函数的探测仪，高精度磁强计和卫星带电测量与控制卫星电位新技术。探索小卫星星座技术。
(4) 电离层和中高层大气探测
研究测量电子密度、积分电子含量、电离层电场、电流、闪烁、通讯信号衰减、时延等参数和特性的新方法、新仪器和不同谱段的成像技术。测量范围：顶外电离层（约300公里至1000公里）；宽的纬度范围，能够探测一些不易探测的区域，如电离层谷区。
发展测量中高层大气密度、压强、温度、成分、风场的新方法、精度优于5%的遥感仪器，高度范围是60~500公里；由此获得这些参数的三维分布和随太阳活动、地磁活动、和季节的变化。
(5) 地面观测
发展在时间上连续、空间分布面广、能反映过程连续演化特点的空间天气地面监测手段，如大范围的GPS网、高灵敏度的电波散射测量（相干的和非相干的）；发展从电磁干扰背景中提取有用信息的技术；提出不同仪器相互配合进行综合观测的新的设计思路。探索对一些不易探测的区域和内容，如电离层谷区、中层顶湍流和空间电流等进行观测的新方法和新原理。
