自1957年人造卫星上天,人类进入空间时代。空间科学40余年的发展,最重大的成就之一是使人们认识到除了地球的固体、海洋和大气环境外,还存在一个空间环境,与人类的生存、发展息息相关。在这个日地空间环境中,由于太阳上出现的耀斑和日面物质抛射等剧烈活动,常常给地球磁层、电离层和中高层大气、卫星运行和安全、以及人类健康带来严重影响和危害,人们把这种由太阳活动引起的短时间尺度的变化,称之为空间天气(Space Weather)。空间天气学就是研究空间天气变化的起源和规律、并做出预报的一门学科。
1.充满挑战和机遇的空间天气学
空间天气研究涉及从太阳活动驱动源的巨大能量和物质的突然释放,通过日冕和行星际空间的传输,在地球空间系统中的耗散、传输和转换,最终引起地球空间环境的灾变。它是一个涉及太阳物理、行星际物理、磁层物理、电离层物理、中高层大气物理、地球物理、等离子体物理以及非线性科学、信息科学、材料科学和计算机科学等多学科交叉的重大前沿科学领域;它跨越由物理性质不同的空间区域组成的日地耦合系统,是地面无法模拟的特殊实验室,是多种间断面、多种非线性和激变过程共存的系统,充满着自然科学经典理论无法解决的新问题,是有待探索的重大基础科学前沿。
2.具有重大战略需求的空间天气学
日地空间环境是人类生存发展的重要活动场所,但是,太阳活动巨大能量和物质抛向地球,引起空间环境发生灾害性变化,给人类活动带来巨大损失。1989年3月发生历史上罕见的空间灾害性天气事件,造成卫星提前陨落、无线电通信中断、轮船、飞机的导航系统失灵、美国核电站变压器烧毁、加拿大北部电网烧毁等,引起国际社会的震惊。从这以后,几乎每年都有重大的空间灾害性事件发生,如1998年5月美国的银河4号通信卫星失效,造成美国80%的寻呼业务的损失等。据统计,40%的航天故障与日地空间环境中的灾变有关;此外,地球平均气温的变化、臭氧含量变化以及人类健康和心血管疾病等与空间天气变化的关系也日益受到科学家们关注。
正是由于人类社会面临发展高科技以及国家安全的巨大需求,空间天气学研究正迅速成为国际科技活动的热点之一。除美国外,欧洲空间局、法国、德国、英国、意大利、俄国、加拿大、日本、澳大利亚等数十个国家都制定了空间天气起步计划, 把它作为关系国家发展的、具有战略性、前瞻性和基础性的重大优先科学领域来安排。国际上许多科学组织积极推进国际合作,如组织实施国际日地能量计划(STEP)、太阳周研究计划(ISCS)、“与星同在”(Living With a Star)、“日地系统空间气候和天气计划”(CAWSES)等,加大了空间天气研究力度。
3.迅速发展和成长的空间天气学
在许多国家政府大力投入和科研部门的集中努力下,近几年来,空间天气学得到了迅速的发展,取得了许多重要的成果。一些国家相继发射了一系列有关空间天气的卫星,如Cluster、SOHO、ACE、TRACE、RHESSI等和正计划发射的太阳探测器(Solar probe)、日地观测站(STEREO)等。
人们发现了日冕物质抛射和耀斑的一系列新的特性和规律,发现了这些太阳活动在日地空间传播并影响地球空间天气的一些规律,并通过数值模拟进行了详细的研究,提出了相应的理论模型。根据观测和理论模型,初步建立了空间天气的预报方法和预报体系。空间天气学迎来了朝气蓬勃的发展时期。
4. 我国空间天气学的研究和未来展望
无论是早期(1988年)制定的我国中长期科技发展纲要中的优先发展领域——空间科学,或近期制定的我国基础学科优先资助领域之一——“日地空间环境和空间天气”,空间天气研究都是重要的优先发展领域之一。1997年6月中央科教领导小组确立“东半球空间环境地面综合监测子午链”(《子午工程》)为国家第二批重大科学工程、“地球空间双星探测计划”的启动、973项目“太阳剧烈活动与空间灾害天气”和重大基金项目“日地空间灾害性扰动过程及其对人类活动的影响”的执行,以及正在预研中的“太阳空间望远镜”等都表明,空间天气研究已得到我国政府和有关部门的重视,在我国科技发展总体布局中占有重要地位。
空间天气研究是新世纪新兴的基础研究重大前沿领域之一,人类社会发展的需求与日俱增,我国更面临发展高科技和国家安全的战略需求,我国在这些领域已有相当基础和一定优势,建议加强宏观指导,在统一的科学目标之下,组织多学科交叉的协同攻关,特别是要大力发展我国有特色的空间探测计划,使我国跻身空间天气研究领域的先进国家之列,为我国社会的发展和国家安全做出重要贡献。