空间天气学十问答Word格式文档下载.docx

1、 魏奉思 中國科學院空間科學與應用研究中心，空間天氣研究實驗室 千百年來，人們就知道，狂風暴雨、電閃雷鳴、洪澇、水旱，地球上這些惡劣的天氣變化給人們的衣、食、住、行和生產活動帶來災難。地球20-30公里以上的高空，甚至千萬公里的空間（或稱太空），也存在惡劣的空間天氣變化。例如，當太陽上高溫、高超音速的物質噴發所形成的太陽風暴吹過地球，有時會使衛星失效、提前隕落、通信中斷、導航、跟蹤失誤、電力系統損壞以及人的健康與生命帶來嚴重危害，卻是近2-30年來才逐步認識到的新事實。我們現在知道，從太陽到地球這個日地空間環境與人類生存和發展息息相關。它由太陽大氣、行星際介質、地球的磁層、電離層和中高層大氣所

2、構成。這個空間環境自1957年人造衛星上天，人類的航太、通信、導航以及軍事活動等從地表擴展到成百、上千公里的空間，成為人類活動的重要場所；它的高高度、高真空、微重力、強輻射、高電導率等獨特的環境條件既為人類發展提供豐富的資源，又為航太、通信、資源探測、軍事等活動提供地面不可能有的便利；它阻止和吸收來自太陽的X射線、紫外線、高能帶電粒子以及超音速的太陽風暴對地球人類的直接轟擊，是人類生存的重要保護層。然而“水可載舟也可覆舟”，常常出現的惡劣空間天氣變化也給人類的高科技活動帶來如前所述的嚴重危害。太陽活動控制著它的喜怒哀樂。什麼是空間天氣學呢？它是專門研究和預報從地球20-30公里之上直到太陽這一

3、日地空間環境中的災害性天氣變化規律，減輕或防止空間災害，為人類活動服務的學科（discipline）。用科學的術語來表述，它是一門正迅速發展的把日地物理科學與地面和空間技術的應用緊密結合在一起的學科。它是一門多學科、多技術領域高度交叉綜合的跨世紀的新學科。下面就其產生背景、基本內涵和人們的認識作一簡要介紹。􀁺 科學背景 自1957年人造衛星上天，開闢人類進入空間時代新紀元以來，國際科聯相繼成立了空間研究委員會（COSPAR）和日地物理科學委員會（SCOSTEP），許多國家成立了國家級委員會。通過廣泛的國際合作，對地球大氣層之外的廣大空間，特別是對日地空間系統，發射了上百顆科學

4、衛星，建立了龐大的地面監測系統，實施了一系列重大的國際合作計畫，如“日地物理計畫”（ISTP）和“日地能量計畫”（STEP）以及“地球環境模型”（GEM）等，知道太陽風暴來源於太陽爆發活動的物質噴射，它的速度高達每秒數百公里至數千公里，它形成的太陽風暴吹過地球時，將會引起地球空間環境急劇的變化，地球二極高緯地區絢麗多姿極光的出現是它到地球的光學；地磁場發生稱之為地磁暴的突然擾動；電離層通訊條件發生稱之為電離層暴的惡劣變化；衛星軌道的大氣加熱，密度增加，發生所謂熱層暴以及高能量電子的通量突然增強事件等。這些現象都是相互有機聯繫的短期突發性現象，必須把太陽大氣、行星際太陽風、地球空間的磁層、電離層

5、、中高層大氣作為一個有機耦合系統來加以探測和研究。當今空間探測開始對日地空間環境進行全球三維結構和過程的探測；變化規律研究開始把日地空間環境作為一個有機系統，定量瞭解其間的因果關係，空間災害性事件研究開始從定性階段向定量階段發展。空間物理開始變成一門“硬”科學（Hard science）。科學上40餘年的集累為空間天氣學的產生奠定了必備的科學基礎； 社會需求 隨著人類進入二十一世紀高科技時代，日地空間環境中惡劣的天氣條件常常給空間和地面的高科技系統，造成空間災害。自1989年3月發生特大的空間災害性事件以來，幾乎每年都要發生重大的空間災害。美國每年來自空間天氣造成的損失都以數千萬美元計（美國國

6、家空間天氣戰略計畫，1995），更不用說多顆通訊衛星的失效、甚至整個衛星的隕落。我國風雲一號氣象衛星（1990年11月）、亞太2號通訊衛星（1995年8月）等的失敗都因惡劣空間天氣所致。據美國和中國航天部門統計，衛星故障大約40%與空間天氣條件有關。人類進入高科技時代，許多軍事系統和精密打擊武器進入空間，空間成為重要的作戰空間和保障條件，尤如從科索沃戰爭和海灣戰爭所看到的，局部戰爭也變成高科技戰爭。顯然，減輕或避免空間災害帶來的巨大損失，以及增強國家安全，所有這些來自社會發展的緊迫需求正是產生空間天氣學的強大驅動力。正是由於人類社會面臨發展高科技的巨大需求（包括軍事的需求在內），加之科學基礎的

7、基本具備，二者之結合，空間天氣學尤如旭日東昇，其發展之勢必將磅礴於世。當今，除美國領頭之外，歐洲空間局、德國、法國、英國、俄羅斯、瑞典、挪威、丹麥、土耳其、義大利、捷克、澳大利亞、西班牙、加拿大、日本等國都相繼制定了空間天氣起步（創新）計畫，空間天氣的研究已成為全球科技活動熱點之一。 基本內函 空間天氣學是空間天氣（狀態或事件）的監測、研究、建模、預報、效應、資訊的傳輸與處理、對人類活動的影響以及空間天氣的開發利用和服務等方面的集成，是多種學科（太陽物理、空間物理、地球物理、大氣物理、宇宙線物理、空間等離子體物理、磁流體力學、數值計算、圖像處理等）與多種技術（資訊技術、電腦技術、各種探測技術和

8、成像技術、空間和地面技術系統與環境相互作用等）的高度綜合與交叉。空間天氣學的基本科學目標，是把太陽大氣、行星際和地球的磁層、電離層和中高層大氣作為一個有機系統，按空間災害性天氣事件過程的時序因果鏈關係配置空間、地面的監測體系，瞭解空間災害性天氣過程的變化規律。當前開展的主要科學課題涉及：太陽活動過程和物質輸出結構研究；太陽風暴的形成、演化以及和地球的相互作用；地球空間系統的空間災害性天氣過程的因果鏈模式等方面。這些都是空間科學中面臨巨大挑戰的難題。空間天氣學的應用目標，就是減輕和避免空間災害性天氣對高科技技術系統所造成的昂貴損失，為航太、通信、導航、資源、電力、生態、醫學、科研、宇航安全和國防

9、等部門提供區域性和全球性的背景與時變的環境模式；為重要空間和地面活動提供空間天氣預報、效應預測和決策依據；為效應分折和防護措施提供依據；為空間資源的開發、利用和人工控制空間天氣探索可能途徑，以及有關空間政策的制定，等等。 認識過程 國際上，空間天氣（Space Weather）一詞大約於70年代的科學文獻中作為一種對未來科學的“暢想”而提出；美國94年11月正式發表了“美國國家空間天氣戰略計畫”，定義空間天氣系指太陽上和太陽風、磁層、電離層和熱層中影響空間、地面技術系統的運行和可靠性及危害人類健康和生命的條件（Conditions）；諾貝爾物理獎獲得者、英國科學家T.Hewish教授曾寫道：看

10、來當今日益增長的興趣是在空間天氣方面（1997年12月10日賀卡）；國際空間研究委員會1996年7月14-21日第35屆COSPAR會上 ，空間研究中偏應用的研究領域被廣泛稱作“Space Weather”；美國宇航局專門成立了空間天氣處（NASA Space Weather Bureau）,並在網上介紹（）：空間天氣是一門相對新的科學領域；美國空間天氣工作組主席H.Koskinen: 在國際日地物理委員會的 News letter （Vol.2,No.1,Maceh,1999）上寫到：Space Weather是一門正迅速發展的把日地物理科學與地面和空間技術應用緊密結合（Tying）在一起的

11、學科（discipline）。在我國，90年代初我國科學家們便指出“空間天氣學的時代已經來臨”，“已提到議事日程”（自然科學學科發展戰略調研報告空間物理，91年初稿科學出版社1996年）、“空間天氣學”作為一門新興的系統科學，必將在人類跨世紀的步伐中應運而生（地球科學進展，Vol.9,No.3,93年6月收稿，94年5月刊出；“九五”國家重大科學工程建議書中（1994年初提出）提出“為在二十一世紀初建立和發展空間天氣學作出重要的國際貢獻”；“九五”國家基金委重大專案建議書（，它是多學科的前沿交叉領域”。“災害性擾動過程研究將帶動我國日地物理向空間天氣學新階段快速發展”，1997年5月、1998

12、年8月和1999年10月分別在北京、黃山和昆明召開第一次、第二次和第三次全國空間天氣學研討會，號召大家為推動空間天氣學的迅速發展起好先驅作用，並呼籲儘快制定“我國的空間天氣戰略計畫”。可以看到，我國和西方科學家明確指出Space Weather是一門學科，大體是在同一時期。今天人們對空間天氣學的認識正經歷一個快速發展和不斷豐富的過程。顯然，發展和建立空間天氣學，建立能獨立自主對空間天氣變化進行監測、研究與預報的體系，既是對自然界的挑戰，更關係到增強國家綜合實力，它是一門具有重要基礎性、戰略性和前瞻性的跨世紀新學科。讓我們勇作空間天氣學的先驅者！二、空間災害性天氣對人類航太活動有什麼影響?趙 華

13、1 朱文明2 1中國科學院空間科學與應用研究中心，空間天氣研究實驗室 2航太工業總公司501所 1994年1月份的幾天裏，加拿大部分地區的電視、廣播、電話等不能正常工作，給當地人們的生活、工作造成了重大的不利影響。這次事故的原因不是恐怖分子襲擊了各電視臺、廣播電臺、電話局，而是為電視、廣播、電話提供通訊服務的三顆同步軌道通訊衛星Intersat-K, AnikE1和AnikE2受到了空間環境的強烈干擾。衛星上的慣性陀螺儀失效，衛星姿態失去控制，衛星不能正常提通訊服務所至。衛星及大部分空間飛行器的運行區域是地球大氣層以上的電離層，磁層及行星際空間。這些空間區域並不是完全的“真空”，而是“充滿”著

14、大量的等離子體（一種處於電離狀態的粒子氣體）、高能粒子、微流星體、塵埃、空間碎片、中性原子和電磁射線等物質。空間飛行器就是運行在這樣的空間環境中。這些物質對航天器有一定的作用，其作用形式及效應與這些物質的分佈狀態及運動狀態有極大的關係。對空間環境中各種物質分佈狀態及運動狀態的描述及對這些狀態變化規律的研究就是空間天氣學的基本內容。空間環境對空間飛行器正常運行的重大干擾則是“空間災害性天氣”的一部分。研究造成航天器異常/故障，尤其是使航天器任務部分或全部失效的災害性擾動環境，發展預報發生空間災害性“天氣”的方法、模式、手段，是實現航天器在軌任務及工作壽命的重要保障。航天器系統受到空間環境影響產生

15、的主要問題包括：微米尺度的顆粒撞擊航天器系統，造成系統結構的破壞；由於高能帶電粒子引起的單粒子翻轉事件；由於污染及輻射造成材料性能的惡化；電介質的擊穿、空間系統的強靜電、等離子體紊亂造成電磁波的折射與散射，以及對空間系統探測器的干擾等。前面所提及的加拿大通信衛星出現故障主要是由於高能電子引發的深層充電所造成的。國內、外諸多在軌運行衛星發生異常/故障的分析結果表明，由空間環境因素引發的故障占總故障的40%。隨著衛星技術的發展，航天器上的儀器越來越精密、探測器越來越靈敏、太陽能電池帆板越來越輕。這些新技術的採用使空間飛行器對空間環境效應越來越敏感，特別是對輻射及靜電帶電效應。另外小衛星技術的廣泛採

16、用，在飛行器的研製中正在逐漸加大對商業器件的使用。而這些商業器件大多未經特殊加固處理，容易受到空間環境中粒子的損壞。德國在1997年12月發射的科學實驗衛星Equator-S，原先的設計壽命為一年。發射後衛星運行了近五個月的時間就徹底的毀壞，不能繼續完成其科學探測使命。很多科學家都認為Equator-S的提前終結，是由於衛星研製週期過短，經費緊張，很多防護措施不夠，以致于衛星在空間環境中各種不利效應的作用下，最終導致衛星失效。雖然這種事例並不常見，但損失卻是非常沉重的。空間環境效應對空間飛行器造成局部或部分時段的工作異常，其損失也是難以估量的。例如空間碎片、微流星可能造成太陽能電池板局部區域的

17、擊穿，從而降低電能的供應。宇宙線可能造成飛行器上的微電子器件的單粒子翻轉事件，產生錯誤指令，或使記憶體鎖定。日冕爆發產生的高能粒子及電磁輻射會對航天器造成電磁干擾。輻射帶中的高能粒子會造成航天器結構材料的性能惡化，對宇航員可能造成輻射損傷。空間環境中高能等離子體會引起航天器帶電，一方面干擾飛行器上各種科學探測儀器的工作，另一方面還會造成飛行器上電介質放電擊穿。另外飛行器的帶電會使飛行器表面吸附飛行器噴出的推進劑，造成衛星表面的污染。低能等離子體則會造成飛行器的電流洩漏，增加無用功耗。同時，低能等離子體還可能在飛行器表面沉積，對某光學儀器的鏡頭造成污染或改變其光學性能。空間環境中的中性原子氧則會

18、對飛行器的材料造成表面腐蝕。空間中微米尺度的微粒撞到航天器時，具有足夠的動能破壞航天器上的一敏感部件。例太陽能電池帆板的玻璃防護層。微粒撞擊航天器時所施放出的能量，足以在航天器的局部表面產生高密度的中性原子和等離子體團。並對航天器上的某些感測器、天線產生干擾。非常高能的帶電粒子能在航天器電子學器件中沉積足夠的電荷量，干擾集成器件的記憶狀態，產生偽信號，這就是單粒子翻轉事件。單粒子翻轉事件本身並不發生硬體損傷，是狀態可以恢復的“軟”錯誤。但它導致航天器控制系統的邏輯狀態紊亂時就可能發生災難性後果。我國“實踐四號”探測衛星平均每天測到3.4次單粒子翻轉事件，衛星上的一台測量單粒子事件的探測器平均每

19、一個月發生一次單粒子鎖定事件。我國某些應用衛星也因單粒子翻轉事件產生局部的工作異常。很多遙感衛星的粒子探測器也會受到高能粒子的干擾。這種干擾有兩層意思，其一是高能粒子直接通過粒子探測器；其二是高能粒子產生的次級輻射。次級輻射的譜段可以覆蓋從可見光到射線。能量範圍在MeV的帶電粒子雖不能造成航天器上部件及材料的永久損壞，但這些帶電粒子在航天器各部分的長期積累也會威脅航天器上某些系統的功能。一個最明顯的例子就是這些具有一定能量的帶電粒子在太陽能電池帆板上的積累會逐漸降低太陽能電池板的效率。另外，較高能量的電子在非良導體材料中形成的電荷積累有可能導致電介質的放電擊穿，同時產生電磁干擾脈衝及材料的損壞

20、。英國/美國聯合研製的CRESS衛星及國際氣象組織的Meteosat-3衛星就是由於這種電荷積累效應而發生問題的。不僅較高能量的帶電粒子能對航天器的運行產生不利影響，即使是低能的等離子體也對航天器的運行產生干擾。由於航天器在空運行過程中始終與等離子體保持接觸，因此等離子體可以看成是一個很強的電流源。等離子體的寄生電流會在航天器上產生磁矩從而可能影響航天器的姿態控制。等離子體還可能造成航天器上高壓系統的短路。低能等離子體也能引起航天器表面帶電，如果表面電位較高則可能導致放電打火，產生電流或電磁脈衝，會對航天器上的電子器件產生干擾。另外如果航天器的表面電位較高，會吸附一些污染物，導致航天器表面性能

21、的惡化。除了高能粒子、等離子體，即便是空間中乘餘的中性大氣也會引起航天器表面氧化，侵蝕表面，或在表面形成污染層。針對這些由於空間環境造成的航天器故障，如果能事先知道可能發生故障的軌道區域及發生的時間，則可以通過一些技術措施以避免這些故障的發生。三、空間災害性天氣對通信、導航定位有什麼影響？ 吳 健1 郭兼善2 1.資訊產業部電子第二十二研究所北京研究中心，北京6301信箱，郵編102206 2.中國科學院空間科學與應用研究中心，空間天氣開放實驗室100080 人們熟知的天氣是指近地大氣層十幾公里以下出現的風、霜、雨、雪變化，而十幾公里以上一直到太陽附近的廣闊空域的天氣變化就鮮為人知了。這些變化

22、對人類的活動的影響是不可忽視的，有的甚至是災難性的。我們下面來談談對通信和導航定位無線電系統影響較大的電離層天氣。電離層指地球大氣中那一層部分離化的大氣。1902年亥維賽和肯涅利兩位科學家為了解釋無線電波的反射而假設有“導電層”包圍著地球，當時人們以兩位科學家的名字命名它為肯涅利亥維賽層。1925年阿普裏頓和巴涅特利用電波的干涉原理首先證明了電離層的存在，促進了電離層研究在科學和應用方面的迅速發展。迄今為止人們已弄清了電離層自下而上劃分成C、D、E、F幾個區，在白天F區又細分為F1區和F2區。電離層中電子密度隨高度分佈變化達四個量級，以典型中緯度地區電離層平均狀態為例，C區電子密度約為108/

23、 立方米，D區約為109/立方米，E 區為1091011/立方米，F區為10111012 /立方米。最大電子密度出現在F區，最大電子密度對應的等離子體頻率叫做電離層F2區臨界頻率，F區以上稱為頂部電離層，電子密度隨高度遞減。除了高度分佈外，電離層中電子密度從高緯度向低緯度明顯增加，在地磁場赤道兩邊形成兩個駝峰，這個區域稱為赤道駝峰區或赤道異常區。電離層中的等離子體是由部分太陽輻射（遠紫外射線、射線、射線、x射線和宇宙射線）電離中性大氣成分產生，因此電離層的電子密度有明顯的日變化、季節變化。太陽輻射有11年週期變化，因此電離層也有相應的11年週期變化。電離層的存在和這些時空變化引起無線電波折射、

24、吸收、閃爍、多徑效應、極化旋轉、色散和Doppler頻移等的變化，從而導致通信、導航、測量和遙感資訊質量的降低甚至失靈。經過近幾十年的空間高技術探測以後，人們更認識到，除上述平穩規則的 變化之外，由於太陽的劇烈活動及地球空間系統的非線性不穩定性，還會形成所謂的電離層暴。這時候，電離層中的帶電粒子密度、電流系統、電場分佈等都會出現暴發性的漲落，其時間尺度可小到十分之一秒量級，空間尺度從幾米到成百上千公里，對衛星通信導航定位和地面輸電、輸油等工程技術系統造成破壞性的影響。這決不是聳人聽聞的！1989年3月13日的強烈地球空間暴使得加拿大魁北克的大部分地區停電9小時以上，六百多萬居民受到影響，使魁北

25、克電力公司在加拿大損失了近兩萬兆瓦的電力，輸送到美國的電力損失也超過千兆瓦。電離層天氣就是要監測、研究和預報如日冕物質拋射、磁層電場、粒子沉降等在電離層中的種種反映，也就是說要研究電離層天氣及其產生原因，最終將可能為有關部門提供電離層天氣預報。下面我們主要以無線電技術領域為主線來介紹電離層的影響。一、電離層天氣對通信系統的影響 短波通信選頻。與電離層關係最密切的是短波。遠距離短波通信是靠電離層對短波信號的反射來實現的，最高和最低可用頻率取決於電離層電子密度的分佈。因而頻率預報取決於通信電路上電離層電子密度的預報。利用電離層隨太陽活動、季節、時間、地理位置的變化來預測短波通信電路的最高和最低可用

26、頻率，就是短波通信的選頻問題。電離層的快速變化能導致短波通信通道衰落，強衰落能致通信中斷。太陽爆發產生的電離層短波吸收增強也能引起短波通信中斷。當前不同地球物理條件下電離層的變化規律研究還遠不能適應通信系統的設計和使用需求。為了保障短波通信的質量，“國際空間環境服務組織（ISES）”專門從事快速交換電離層探測資料，發佈影響短波通信的電離層騷擾警報。中國電波傳播研究所是亞洲區域中心之一，負責中國區域的資料交換、預報和警報的發佈。2000年6至7月份，多次發生電離層擾動事件，使短波通信可通頻帶變窄，通信質量受到嚴重影響，最嚴重的事件使短波通信中斷達20多小時，由此可見電離層天氣對短波通信的重要性。

27、衛星通信。衛星通信包括同步和低軌道衛星網（移動通信）兩類系統。所採用的頻率大都能穿透電離層。對於甚高頻段（VHF）以上頻率，電離層快速隨機變化引起的信號閃爍會導致通道的信噪比下降，誤碼率上升，嚴重時使衛星通信鏈路中斷。這種現象在低緯和藹高緯（極光區和極蓋區）地區尤為頻繁、嚴重。我國的臺灣廣州一線以南的地區屬於電離層閃爍的高發區，海事衛星通信在這些地區經常出現中斷現象。1989-1990年美國在巴拿馬的軍事行動期間多次發生的指揮自動化系統中斷事件也是由於嚴重的電離層閃爍導致的。最嚴重的電離層閃爍在UHF頻段接近30dB、在L頻段（包括移動通信下行頻率和GPS使用的頻率）能達到15dB以上，閃爍的

28、持續時間最長達3小時以上，這是大部分地空無線電系統所不能容忍的。即使在12GHz的頻率上低緯地區電離層閃爍的影響仍不可忽視。此外，電離層電子密度的變化產生的信號極化變化（法拉第旋轉）；電離層快速隨機變化所決定的穿透電離層信號的相干帶寬；電離層閃爍出現的長期統計特性等都是現代地空無線電系統設計要考慮的重要因素。因而電離層閃爍是影響衛星通信技術發展的重要問題之一。二，電離層天氣對導航定位的影響 無線電導航定位技術包括地面無線電導航、衛星導航和無線電測控技術。地面無線電導航系統如美國的羅蘭C、歐米咖、俄羅斯的阿爾法和我國的長河二號等；衛星導航如美國的子午儀、GPS、俄羅斯的GLONASS等；無線電測

29、控技術如衛星測控技術、無人駕駛飛機的測控技術等。低頻和甚低頻導航。羅蘭C和長河二號屬於低頻導航系統，歐米咖和阿爾法系統屬於甚低頻導航技術。其導航原理是利用低頻和甚低頻信號在電離層底部與地面形成的波導中傳播的時間，來測量導航導航發射台的距離，在已知發射台位置的前提下求解接收機的位置。電離層的變化尤其是底部電離層的變化，導致低頻或甚低頻信號在給定的發射機和接收機之間的傳播相位時間延遲變化，嚴重時能產生幾十海裏的甚低頻導航誤差。誤差修正的途徑是進行長期大量的觀測建立電離層效應改正模式。甚低頻還用於對潛艇的通信，電離層的影響同樣存在於甚低頻通信系統中。衛星導航定位。衛星導航的原理是測量接收機到每顆衛星

30、的距離，在已知衛星位置的前提下求解導航接收機的位置。衛星導航信號穿過電離層產生的誤差是重要的誤差源之一，對於GPS和GLONASS系統，誤差高達幾十米甚至百米，嚴重時能使衛星導航系統暫時失效。這些影響有如下幾方面：首先是折射誤差。電波通過電離層時折速度變慢，產生附加的時間延遲，致使測距不准。其次，導航信號通過電離層時還會產生相位變化，使測相導航系統產生誤差。在某些情況，還能產生測速誤差。再次，由於電離層折射，導航信號在電離層中的傳播路徑產生彎曲，導致導航信號到達角的變化，這在衛星的仰角很低時特別嚴重。對於以基於測角的測速系統，也引起測速誤差。此外，電離層的快速隨機變化，尤其是低緯地區電離層的隨機變化引起的電離層閃爍，也產生測距和測速誤差，理論研究表明，極端情況下，這種誤差接近折射誤差。測量控制。對於無線電測控系統，電離層的影響原理上與衛星導航定位系統一樣。授時和時同。對無線授時和時間同步的影響是由於電離層產生的時間延遲導致時間信號誤差，誤差大小與頻率有關。三、電離層天氣對其他無線電技術系統的影響 雷達。和通信一樣電離層對短波雷達影響最大。典型的短波雷達是短波超視距雷達，它利用電離層的反射來實現視距外的目標探測。電離層的變化影響到探測目標地面距離的反演。嚴重時雷達不能正常工作。對於超短波直至微波雷達探測，其影響外還包括對雷達波瓣寬度的