空间天气

空间天气是一个全新的概念，太阳上出现的耀斑和日面物质的抛射等剧烈活动，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。相对于地面天气而言，空间天气发生在距离地面30公里以上。

中文名称：空间天气

外文名称：SpaceWeather

应用学科：大气科学；大气物理学

1、基本概念

空间天气（SpaceWeather）一词始见于20世纪70年代初美国一位空间物理学家M.Dryer博士的《太阳活动观测和预报》的序言。它指的是“太阳上太阳风、磁层、电离层和热层中可影响天基和地基技术系统的正常运行和可靠性，危及人类健康和生命的条件或状态。它研究地表对流层之上直至太阳大气整个日地空间环境中最富变幻、对空间技术系统最具危害性的天气变化，它包括有关电磁辐射、带电粒子、等离子体和中性大气中的突发性的、短时间尺度的、动态易变的暴时变化现象的基本过程和变化规律。

2、主要影响

在我们的太阳系内，空间天气主要受太阳风的风速和密度、以及太阳等离子体带来的行星际磁场三者的影响。各种各样的物理现象都与空间天气相关，包括地磁风暴和亚暴，在范艾伦辐射带的电流，电离层扰动和闪烁，极光和在地球表面的磁场变化诱导的电流等。日冕物质抛射及相关冲击波可以压缩的磁层和触发地磁风暴。太阳高能粒子，日冕物质抛射或由太阳耀斑加速可以破坏航天器电子设备，并威胁到宇航员的生命。他们都是空间天气的重要动力。

空间天气灾害主要涉及高能带电粒子对航天器的危害，太阳爆发性活动对导航、通讯和定位的严重影响，地磁场急剧变化（磁暴）对输电系统和地下管线的破坏，高层大气密度对航天器轨道寿命的影响等。这些灾害可引起卫星运行、通信、导航以及电站输送网络的崩溃，造成各方面的社会经济损失。空间天气变化直接影响了以航天技术为代表的人累科技发展和社会生活越来越依赖的高技术。

空间天气对战争也有很大的影响。宇宙间高能带电粒子不断轰击航天器表面，可造成航天器辐射损伤，更高能的粒子可穿过电子器件，在电子信号串中改变数据位，导致仪器发出混乱指令或提供错误数据。当空间灾害性天气发生时，无线电通信和雷达信号传输会受到影响，卫星微波通信也会因电离层扰动而降低通信质量。电离层闪烁可导致ＧＰＳ卫星导航、定位误差高达几十米至几百米，甚至信号中断。

3、学科研究

（资料来源：空间天气学国家重点实验室。作者：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）

简介

空间天气（学）又称太空天气（学），是人类从20世纪90年代跨入21世纪，对发展空间技术的依赖性与日俱增的历史背景下，迅速发展起来的一个相对新的科学领域。

它研究地表对流层之上直至太阳大气整个日地空间环境中最富变幻、对空间技术系统最具危害性的天气变化，它包括有关电磁辐射、带电粒子、等离子体和中性大气中的突发性的、短时间尺度的、动态易变的暴时变化现象的基本过程和变化规律，建立以此为基础的各类空间天气模式，预测空间天气变化及其效应，保障人类诸多活动如航天、通信、导航、定位、资源考察、灾害监测、抢险救灾、输电、油气输运、金融、贸易等的安全、高效运行，以及宇航员和极区高空飞行机组和乘客的健康与生命安全等。

正如美国宇航局2006年至2016年的战略计划中特别指出的，“空间天气对人类的危害越来越明显，因此认识并降低空间天气对人类的危害效应迫在眉睫”。

重要性

空间天气关系社会发展，是20世纪90年代人们才认识到的新事实。早在1849年，英国人Barlow就注意到极光出现时电报受干扰的现象。第二次世界大战期间，有关*为发展无线电通信开始资助类似的空间天气预报中心，但作为一种科学的认识提到议事日程上，还是1989年3月特大空间灾害性天气事件之后的事。如前所述，那次事件造成了十分广泛的影响，第一次使人类认识到空间灾害性天气会给人类的航天、通信、导航、电网、宇航员健康与空间安全等高科技领域的活动带来巨大损失和严重威胁。其后的观测与研究表明，上述这类重大的空间灾害性事件几乎每年都有发生。因此，空间天气作为关系社会发展、科技进步和空间安全的一个新兴领域，在一些欧美发达国家作为一种国家行为而得到高度关注。

美国是最关注空间天气的国家之一，正如一些美国政要所认为的：“空间系统是我们的安全、社会和经济的重要组成部分”，“要保卫太空活动能力，我们必须采取的一个步骤是更多地了解那里的情况”，等等。为此，美国把对空间状况的认知作为其发展军事空间力量的两大基石之一。

除此之外，欧空局也十分关心空间天气效益。欧空局在欧洲空间天气计划的效益分析报告中指出，空间天气计划关系欧洲实体、*、军队、跨国公司、中小企业和个人用户等的多方面利益。它们包括：

战略利益——提高欧洲工业、军事、技术和科学的独立性。如降低在空间天气的预报、警报、效应与损伤分析方面对非—欧洲资源的依赖性，改善欧洲防务力量的效率和独立性，更好地使用雷达系统来改善空军和海军的安全性和军事效能；增长欧洲工业在信息系统、空间平台、探测器、发射服务和地基设备等高技术领域的发展机遇。

经济利益——将提高用户商业竞争力。如降低卫星运行成本，增加卫星可靠性和延长寿命，提高发射的可靠性，减少航天员的辐射暴露，以降低患癌症的风险，降低飞机安全的风险和机组人员的辐射暴露；降低地面电网中断的风险，以及提高飞船保险公司的竞争力等。

科技利益——促进新产品和新工业的发展。如发展新探测器、新平台技术，如微小卫星以及新数据处理技术；发展开发空间天气变化以及缓解空间天气现象的新颖技术；推动广泛领域内的纯基础的和应用的研究。

教育利益——提高人们对科学、空间以及空间天气将如何影响他们生活的理解。加大在大学课程中的份量，增加学生们对基础科学和空间问题的认知等。

4、灾害影响

空间天气灾害，是指由于空间天气因素造成天基或地基技术系统功能下降或者报废、宇航员等人员健康受到损害，从而导致国民经济蒙受损失、国家安全受到威胁。空间天气灾害在通讯、导航、国防、航空、航天、勘探、能源、气象等行业或层面上都可能发生。

1.银河宇宙线、太阳高能粒子、辐射带高能粒子、地磁暴、空间碎片等空间天气事件会威胁航天器的安全。

2.电离层天气变化会影响以电磁波方式传输信号的通讯系统，如导致某些波段的无线电信号传播强度衰减，甚至通讯中断。

3.银河宇宙线和太阳爆发产生的高能粒子辐射会危及空间作业的宇航员、高空飞行员及飞机乘客的安全。

4.空间天气对国家安全构成直接的影响。利用空间天气进行军事行动、规避空间天气对军事活动的影响，嗾使现代军事活动中必须考虑的问题。

5.影响导航及定位系统。电离层天气发生扰动时，GPS等卫星定位系统的定位误差会大大增加，甚至可能无法正常工作。

6.太阳活动导致的地球大气状况变化会影响地球的天气和气候。

5、监测预警

空间天气地基监测

目前，通过观测地球磁场几秒到几天内的变化、观测太阳表面和太阳大气所产生的无线电噪声已经能在地面上监控空间天气。比如沃尔夫黑子相对数，F10.7，地磁指数，太阳光球层，中子探测器，电离层电子总含量TEC等早已被监测和利用。

空间天气的卫星监测

自从探险者1号飞船发现太空不是真空虚无的，许多飞船(飞船上搭载了很多种探测仪器)就已经发射去发现和描绘空间环境。著名的卫星有:STEREO卫星，辐射带探针卫星RBSP，WIND卫星，ACE卫星，SOHO卫星，GOES系列飞船，POES系列，DMSP系列，Meteosat系列卫星等。这些卫星打造的磁强计，高能粒子探测仪，太阳X射线成像仪，远紫外成像仪等等，观测得到了持续不断的太阳风资料和太阳电磁频谱资料，对我们了解空间天气和预测空间天气有巨大帮助。

6、相关书籍

《空间天气学》系统地介绍了空间天气学研究的内容和最新进展。

全书共分五章，第一章是概论，主要介绍了空间天气学的基本概念。第二章是太阳大气与行星际天气，重点介绍太阳耀斑、日冕物质抛射、太阳能量粒子事件和行星际激波。第三章介绍地球空间天气系统与天气过程以及太阳活动影响气象过程的可能机制。第四章介绍空间天气对各种技术系统的效应。第五章介绍了空间天气建模和预报的基本情况和典型模式及预报方法。

该书可作为高等院校空间物理学、空间环境学和大气环境学等相关专业本科生和研究生的教材，也可作为空间科学、大气科学、天文学、环境科学、航天、通讯、军事、国防等部门研究人员和业务人员的参考用书。

7、相关大事件

2003年万圣节太阳耀斑事件

超强的万圣节风暴事件，SOHO卫星拍摄到的太阳照片

2003年10月26日到11月4日太阳上爆发了一系列强烈耀斑，被称为“万圣节风暴”。根据美国宇航局与美国国家海洋和大气局空间环境中心的记录。这场强烈太阳风暴级别达到了X28级，峰值可以冲到X45级，这是史上有记录以来最强大的太阳耀斑。天文学家在《自然》杂志中写道，这次强烈的太阳爆发极大地影响了范艾伦辐射带。范艾伦带是围绕地球的两个高密度粒子放射带之一，它通过捕获外界入侵粒子来保护地球不受电子轰击。范艾伦带内层距赤道3000-6000公里，外层距赤道20000-25000公里。在两层之间，粒子很少存在，也正是这点使得这一区域成为人造卫星运行的理想地带。

但在这次的“万圣节风暴”期间，外层范艾伦带受到太空风暴粒子流的挤压，使得它的中心距赤道只有10000公里，平时风平浪静的范艾伦中间地带充满了太阳放射物。对于地球上的人们来说，这并不会带来什么损害。居住在地球北端的人还会看到由于太阳释放出的粒子与地球大气碰撞形成的极为壮观的北极光。但是对于在地球轨道中运行的电子设备来说，这是个不可轻视的问题。一些人造卫星的电子线路遭受彻底的损坏。

这次风暴致使欧美的GOES、ACE、SOHO、WIND等重要科学研究卫星受到不同程度损害，日本“回声”卫星失控；Kodama卫星进入安全模式，直到11月7日才恢复正常工作；Chandra卫星以及SIRTF卫星观测中断；Polar卫星TIDE仪器自动重启，高压电源被损坏，24小时后才恢复正常；NASA的火星探测卫星Odyssey飞船上的MARIE观测设备被粒子辐射彻底毁坏，这是首次发现地球以外空间设施因空间灾害天气而报废。

除了全球卫星通讯受到干扰之外，全球定位系统也受到影响，定位精度出现了偏差，这也使得航班等需要即时通讯和定位交通系统遭到不同程度的瘫痪。

2001年中美撞机事件

中美南海撞机事件中的中方飞机及飞行员王伟

中美撞机事件，又称81192撞机事件，发生于2001年4月1日，一架美国海军EP-3型侦察机在中国海南岛附近海域上空执行侦查任务，中国海军航空兵派出2架歼-8II战斗机进行监视和拦截，其中一架僚机在中国海南岛东南70海里（110公里）的中国专属经济区上空与美军飞机发生碰撞，中国战斗机坠毁，飞行员王伟跳伞下落不明，后被中国确认死亡，而美国的军机则迫降海南岛陵水机场。中国指责美国侦察机故意撞向歼-8战斗机，并且在没有通知和许可的情况下降落于中国领土；而根据美国说法，EP-3是被失控的歼-8战斗机所撞击，并且被中国的另一架歼-8带到飞机场。

在撞机事件发生的随后几天里，海、空军联合出动，在茫茫大海中展开了地毯式的搜救工作。然而正当搜救飞行员的工作紧张进行时，有关军事部门的搜救通信联络和侦测工作“突然受阻、中断”达两个小时左右，同时中国军方长期监测的电台目标也几乎全部丢失，这极大地增加了对当时复杂形势的判断。事后经专家分析得知，在4月1日至13日期间共发生了9起强烈的太阳耀斑爆发事件，并在中国境内造成7起突然电离层骚扰，其中4月3日发生了25年来最强的太阳X射线爆发，使得电磁波的反射媒质—电离层中的电子浓度在短时间内急剧增加，增强了低电离层对电磁波的吸收，导致军事通信系统失效，并且给搜救工作的通信联络造成威胁。

2000年巴士底狱日事件

2000年7月14日美国宇航局TRACE卫星拍摄的太阳活动区AR9077远紫外像

2000年7月14日，美国宇航局太阳过渡区与日冕探测器（TransitionRegionandCoronalExplorer）在远紫外波段拍摄到的太阳黑子群，编号为9077的像。该黑子群活动区产生的太阳风暴引发了磁暴，并对人造卫星产生了破坏作用。该事件被人们称为“巴士底日事件”。

这次太阳风暴是过去30年里第三大太阳风暴，也是自1989年以来最大的太阳辐射事件。图中类似丝绸环的结构表现的是磁力线。在太阳耀斑喷发之后，太阳过渡区与日冕探测器进行了拍摄，记录显示太阳耀斑所释放的极度紫外线光覆盖了太阳表面长23万公里、宽7.7万公里的区域，并导致太阳等离子区温度降低100万摄氏度。

2000年7月14日的太阳风暴（“又称空间巴士底日事件”）对人造卫星来说，则是一场灾难，很多卫星一时无法工作。GOES-8、GOES-10卫星的能量大于2兆电子伏的电子传感器发生故障，丢失两天的数据；ACE卫星的太阳风速度探测仪等发生临时故障，丢失两天数据；NEAR卫星的x射线/γ射线谱仪*关闭两天。SOHO、YOHKOH和TRACE卫星的成像仪被太阳高能粒子损伤和污染，而且SOHO卫星的太阳能电池板受到严重退化，大约相当于一年的正常退化，某些探测仪器也*关闭两天；WIND卫星的输出功率降低了25％（自29瓦降至22瓦），轨道也出现了大幅度下降，丢失了两天的观测数据；AKEBONO卫星的控制系统失灵；受到影响最严重的是日本的ASCA卫星，大气密度的增加造成了卫星轨道下降和定位故障，太阳能电池板不能正常工作，工作人员努力拯救了2个月后宣布失败，最终卫星丢失；国际空间站轨道下降15Km。

1997年太阳风暴破坏通讯卫星

1997年1月6-11日的太阳爆发事件使美国AT&T公司的一颗价值2亿美元，设计使用寿命为12年的同步轨道通讯卫星（Telstar401）失效，而它仅服务了3年，致使AT&T公司的业务损失高达7.12亿美元。由于这次事件发生在太阳活动极小年时期，且具有强烈的空间天气效应，造成了严重的影响，因而受到人们的广泛关注与研究。

Telstar是第一颗人造的通讯卫星和第一颗被设计来传送电话和高速数据通讯的卫星。今天多颗电视广播卫星取名为Telstar。最早的Telstar则是两颗几乎一样的试验性卫星。Telstar1于1962年7月10日升天，运行到1963年2月21日。Telstar2于1963年5月7日升天，运行到1965年5月16日。在其运行期间Telstar1首次通过太空转播了电视图像、电话和电传图像，完成了首次跨大西洋电视实播。这些后来的Telstar卫星与第一颗Telstar卫星只在名字上有共同点。它们的电子和机械技术要成熟得多，而且是同步卫星。它们也不再是实验或者开发卫星，而是商业用的通讯卫星。

1991年磁暴引发磁层极强电子

1991年3月22日03:41UT，太阳爆发了一个X9.4的软X射线耀斑，伴随该耀斑有强烈的日冕物质抛射事件（CME）发生，该CME事件在3月24日的04:00UT左右达到磁层，引起了地磁指数Dst为-298nT的特大磁暴。

该磁暴产生之后，磁层空间能量大于2MeV电子的通量大幅度增加，卫星还观测到能量大于10MeV的极高能量的电子，这是非常罕见的现象。磁层空间内某些区域的高能电子通量很强，能量很高的电子持续了半年左右的时间才逐渐消退。能量大于2MeV的电子对卫星危害很大。

由于现在卫星的数量远远超过1991年，因此，这种事件要是发生在现在，它产生的破坏作用会非常大。

1990年干扰卫星的单粒子事件

风云一号B星

风云一号B星于1990年9月3日成功发射。其性能明显改善，地面收到的可见光云图质量比第一颗气象卫星清晰，红外云图与当时国际先进的同类卫星相当。但风云一号B星上天运行仅仅两个月后，11月初就遭遇了太阳耀斑发射的高能粒子流，发生了单粒子事件，造成姿态控制计算机程序混乱，无法控制卫星姿态，导致卫星在空间翻转。好在这次事件后计算机程序得到了及时的纠正，卫星恢复了正常运行。

1991年2月14日卫星的计算机再一次出现单粒子事件，卫星姿态再次出现异常，这次故障未能及时发现。当发现卫星姿态异常时，卫星上携带的气体已喷完，姿态完全失控，无法拍到云图，本来卫星的设计寿命是要运行一年，但是不到半年卫星就无法工作了。

风云一号卫星主要是为我国气象观测提供一种新手段，利用气象遥感器和空间环境监测器，获取地表和大气层辐射资料，进行海洋遥感技术试验，监测空间环境。风云一号卫星从1977年立项到2002年D星发射，经历了二十多年时间，共研制发射了01批（FY-1A、FY-1B）和02批（FY-1C、FY-1D）共四颗卫。

1989年重创电力系统的磁暴

磁暴期间管道会被腐蚀，从而导致管道泄漏并产生严重的危害

1989年3月15日19：12UT太阳爆发了一个X4.5级的太阳耀斑，伴随该耀斑爆发的日冕物质抛射事件（简称CME），该CME驱动的激波在3月13日01：27UT到达磁层，激波和驱动激波的ICME随后引发了地磁指数Dst极小值为-598nT的超级磁暴，该磁暴是最引人注目的磁暴事件，也是损坏输电系统最严重的事件。

3月13日凌晨，在蒙特利尔魁北克电力公司控制室里，技术人员像往常一样监视着显示电网运行状态的图板，该电网为整个魁北克省600万居民供电。凌晨2时44分，图板上的一个指示灯开始闪烁，指示电网北端发生了故障。面对突发事故，技术人员大为震惊。紧接着，全省断电事故连连发生，不到90秒钟，整个电网完全崩溃。显示图板像圣诞树一样闪烁不停，而整个魁北克省则漆黑一片。这次停电事故使电力公司损失了1000万美元，而用户损失则达几千万甚至数亿美元。尽管大部分地区在9个小时内恢复了供电，但仍有一些地方黑暗持续了数日。与此同时，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也被烧毁，北美其它电力系统也受到影响，瑞典南部和中部5条130kV输电线路跳闸，东京电力公司变压器被毁。美国国家海洋与大气局太空环境中心副局长荣·茨威格说：“如果能提前，哪怕是一个小时预报太阳风暴的到来并加以警告，受太阳风暴影响造成的损害就能减低到尽可能的小。”

磁暴期间产生的感生电流对地下的油气管道也有直接影响。这次事件使澳大利亚输油管道受损，大西洋和太平洋海底电缆出现高压脉冲。此外，这次事件还致使美国GOES-7卫星的太阳能电池损失了一半的能源，从而卫星寿命减少一半；日本通讯卫星CS-3B异常，搭载在飞船的备用命令电路损坏；NASA卫星SMM在整个磁扰期间下降了3千米，从而缩短了寿命，最终于1989年12月2日坠落于地球大气的过程中焚毀。

1859年卡林顿事件

SanSalvador观测到1859年9月2日极光的记录

1859年历史上曾经发生过一次有记录以来最大的一次太阳风暴，也叫卡林顿事件。

1859年9月1日，早晨，卡林顿观测太阳黑子时，发现太阳北侧的一个大黑子群内突然出现了两道极其明亮的白光，在一大群黑子附近正在形成一对明亮的月牙形的东西。他从来没有看到过像这样的东西。他很兴奋，冲出观测室，想找个人来证明他的发现。可是，楼里空无一人，而当他急忙回到望远镜旁时，吃惊地发觉刚才所看到的东西已经消失。

就在卡林顿第一次观测到太阳耀斑爆发后的几分钟内，英国格林尼治天文台和基乌天文台都测量到了地磁场强度的剧烈变动。然后，在17个半小时以后，地磁仪的指针因超强的地磁强度而跳出了刻度范围。差不多同时，各地电报局电报机的操作员报告说他们的机器在闪火花，甚至电线也被熔化了。而且，在这天夜里，天空中五颜六色的北极光一直向南弥漫到古巴和夏威夷。

卡林顿事件发生时住在低纬度的人们观测到了北极光，在离地磁赤道23度处都能看到红色的辉光。而且，这个记录一直保持到现在。极光能够伸展到的最低纬度与一次磁暴的强度直接有关。美国喷气推进实验室的科学家楚罗塔尼搞了个理论计算模型，计算出1859年卡林顿事件的磁暴不仅仅是有历史记录以来最强的磁暴，而且达到了1989年3月的那次事件中磁暴强度的3倍。

卡林顿事件虽然在强度上远远超过了1989年和2003年的两次强太阳风暴，但是造成的危害并没有后两次严重。这是因为在那个时候还没有人造卫星、无线电通信和现代的电力传输网络。如果卡林顿事件发生在今天，那么它将会造成更严重的灾难。它有可能摧毁许多人造卫星，使得依靠这些卫星进行的通信中断，而且还会破坏许多变电站。