空间天气学十问答.doc

空間天氣學十問答 一、 什麼是空間天氣學？（魏奉思 中科院空間中心） 二、 空間災害性天氣對人類航太活動有什麼影響？（趙華 中科院空間中心、朱文明 航太工業總公司501部） 三、 空間災害性天氣對人類通信、導航活動有什麼影響？（郭兼善 中科院空間中心、吳健 資訊產業部22所） 四、 空間災害性天氣對人類地面技術系統（電力、輸油（氣）和資源等）和生態環境有什麼影響？（湯克雲 中科院地質地球物理所、焦維新 北京大學） 五、 空間天氣學的基本問題是什麼？（魏奉思 中科院空間中心） 六、 如何監測空間天氣的變化？（焦維新 北京大學、王家龍 北京天文臺、萬衛星 武漢物理與數學所、徐寄遙 中科院空間中心） 七、 空間災害性天氣變化是如何發生的？（肖佐 北京大學、王家龍 北京天文臺 八、 目前關於空間災害性天氣變化的預報能力如何？（王家龍 北京天文臺、高玉芬 國家地震局地球所） 九、 國際空間天氣研究的態勢如何？（馮學尚 中科院空間中心、張貴銀 總參大氣所） 十、 我國在推動空間天氣學方面正在作出哪些努力？（於晟 國家基金委地學部、朱志文 國家基金委地學部） 資料：重要的空間災害性天氣事件簡介（馮學尚 中科院空間中心） 一、什麼是空間天氣學? 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、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 D.N.Baker等科學家指出它的多學科性質，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（http:/www.SpaceW）：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（1995.7.7）:“空間科學正進入一個科學與應用緊密結合的空間天氣學新時期，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。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/ 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、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。 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影響。結果是使雷達測距、測角和測速精度產生誤差。電離層不規則體產生很強的雷達雜波，VHF頻段的電離層雜波高達80dB。 遙感技術。衛星遙感系統，工作頻率較高，電離層的影響通常較小。但是在利用衛星遙感圖像研究地殼的形變時，必須首先對電離層的效應進行修正。對某些頻段的遙感雷達，電離層會影響到圖像的解析度。利用極化提取遙感資訊的系統，必須考慮電離層的法拉第旋轉的影響。對於遙感雷達的測距精度，在某些況下也必須進行電離層折射修正。 對衛星系統電磁相容設計的影響。衛星是一個複雜的電氣和電子結構的混合體，各分系統在對外輻射無線電信號的同時，其本身又受到其他分系統輻射的干擾，同時具有干擾和被干擾的兩重性。電磁相容設計的目的就是把這兩重性調整到最佳狀態。當衛星在電離層中運動時，等離子體環境會破壞這種最佳狀態。即使在地面按照一定的電離層狀態進行的衛星電磁相容設計，在太陽活動劇烈變化時仍可能打破這種最佳狀態。例如，衛星天線的輻射特性（輸入阻抗、方向圖、增益等）是隨電離環境的變化而變的，因而電離層劇烈變化產生的對天線的影響有時是可能破壞性的。 四、災害性空間天氣對地面技術系統和生態環境有什麼影響? 湯克雲1 焦維新2 1中科院地質地球物理所 2北京大學 1空間天氣災變 危及地面通訊 空間天氣是指太陽表面和地球的磁層、電離層、大氣熱層的物理狀態。當太陽上有大的黑子群、冕洞，強烈的耀斑、劇烈的物質拋射等物理現象時，大量的帶電粒子流、高能射線進入日地空間，特別是近地空間, 造成了電磁場的劇烈變化, 帶電粒子流、高能射線的大量增加和電磁場的劇烈變化, 將對空間和地面技術系統,諸如衛星、通訊設備、輸電網絡、油氣管線的安全產生嚴重威脅，並直接影響人類生存環境，我們稱之為災害性空間天氣。空間天氣災害對地球上技術系統的影響可以追溯到十九世紀中葉。1847年3月19日，在英格蘭觀察到電報指針自動偏轉；同年9月24-25日，有極光出現，指針自動偏轉得更大； 1858年8月28日至9月2日，有極光出現，加拿大電報站之間的通信完全中斷，同時，美國紐約、華盛頓等城市間的電報通訊也受到了影響。當時的人們對發生這類現象的機理並不清楚。近代的研究才發現，搗亂的魔鬼原來是地磁暴產生的感生電流。1957年磁暴期間，人們在加拿大紐芬蘭與愛爾蘭之間的海底電纜上測到了3000伏的感生電壓, 如此強大的感生電流打亂了通訊電纜上傳輸的電報電流, 電報業務只好癱瘓。 2地球磁場猛暴 加國電網遭殃 1989年3月，北京的街道已是寒裝漸退，春意襲人，對魁北克人來說，仍是隆冬季節。人們在電熱系統發出的暖流中，觀看電視，欣賞音樂，通過電腦和傳真機與全世界聯繫，盡情享受著發達的現代文明，絲毫沒有感受到窗外寒氣的威脅。13日淩晨，一陣光弧之後，路燈黑了，樓宇黑了，夜總會黑了，整個不夜城黑了。施虐的禍首是50年以來第二強的地磁暴，強磁暴產生了強大的感生電流，衝擊了魁北克水電站的變壓器和儲能器，使魁北克水電站遭到了毀滅性的打擊。電網癱瘓，百萬居民在無電的冬天度過了小時。電力損失2000 KW,直接經濟損失達億美元。 所謂地磁暴，就是地球磁場在很短的時間內發生了劇烈的變化。普通物理的知識告訴我們，當穿過一個閉合的導體回路的磁通量發生變化時，會在回路上產生感生電流。輸電網正是這樣一個閉合的導體回路。磁暴時，穿過電網回路的磁通量發生了急劇變化， 就在電網回路上產生了強大的感應電流。特別糟糕的是，磁暴在電網上產生的感應電流是大強度直流電，而電網傳輸的是交流電。這就在短時間內造成了輸電網的失衡，某些輸變電設備的局部產生高熱而燒毀。除了磁暴強之外，處在高緯地區、建在火成岩上是魁北克水電站遭到毀滅性打擊的另外兩個重大原因。火成岩的電導率較低，大磁暴的強大感應電流主要加諸於電網了， 對電網造成了嚴重的衝擊。1989年之後，人們已注意到要盡可能避免在高緯和火成岩地區新建發電站。 除魁北克之外，1989年3月的強磁暴還燒毀了美國新澤西州德拉威爾河上的一座核發電站的巨型變壓器。磁暴感生電流使變壓器鐵心飽和，磁通量溢出，在高磁通密度處形成了高熱點，最終變壓器著火燒毀。現場研究表明，磁暴電流造成的變壓器鐵心飽和產生的熱量不但使線圈之間的絕緣材料著火，而且融化了可以承受3000安培電流的粗銅絲。該變壓器是200兆伏安蓄電站的三台變壓器之一。這三台巨型變壓器價值1000萬美元，損壞之後，若無備件，須化一年的時間去重造和安裝，這一年中， 整個發電廠就只好停產了。幸運的是，在這次事故發生後，該核電站從一個停建的核電站卸下來一個同樣型號的變壓器，化了六周的時間，使該發電廠恢復發電，但是已造成了每天40萬美元的損失。1989年3月地磁暴對北美地區電力系統的打擊，是近代科學史上由於空間天氣惡劣而造成技術系統破壞的著名例證。1940年3月24日，美國和加拿大的電力公司都發現電網上的電壓降和無功功率有大的擺動。那是歷史上第一個有關地磁暴對電力系統影響的記載。 3空間天氣變陰 影響油氣輸運 磁暴產生的感生電流不但會對高緯地區的輸電網和通訊電纜產生危害， 而且會影響地表油氣管線的安全。已經測量到，強磁暴時，每公里的輸油管線上有6伏的感生電壓，在1000公里長的輸油管道上，會有6000伏的感生電壓，阿拉斯加輸油管線上有1000安培的電流流過。如此強大的感生電流，當然會影響流量計的正常計數，並加速管線的腐蝕。 4、氣象災害頻頻 空間天氣有責 傳統的觀念認為，氣象是一種陽光輻射與中性大氣作用的物理過程，而地磁場的變化則是一種電磁過程，兩者之間沒有什麼明顯的聯繫。地磁與氣象的關係，從70年代開始已為研究日地關係的學者所重視。他們發現地磁活動與太陽活動、大氣層和生物圈之間存在很好的相關關係，因而認為地磁活動性可作為太陽天氣關係的“指示器”。不少作者分析研究了上百年的太陽活動、地磁活動和各種氣象參數資料，揭示了地磁場與低層大氣氣壓、氣溫和降雨量的關，並提出地磁場控制大氣層的一些證據。關於理論解釋，目前尚無定論，主要有3種機制：第1種是高層和低層大氣通過動力學過程相互耦合；第2種是臭氧變化效應，即太陽活動加劇，使紫外輻射增加，再使大氣中的臭氧含量增加，導致平流層、對流層的輻射與動力耦合改變，最後改變對流層的氣候；第3種是地磁極控制機制：地磁極及其位置變化可作為控制氣候和天氣的因素，即通過地磁活動性表示的太陽微粒輻射強度明顯地影響地磁極上空和極區上空的氣溫和氣壓分佈，導致大氣環流變化，甚至影響植被條件和農業收成。 自1985年英國科學家報導南極出現臭氧空洞以來， 多數科學家認為是人類大量使用氟利昂，氟利昂釋放出的氯原子破壞了臭氧分子，造成了臭氧空洞。現在有一種新的提法，認為造成全球臭氧空洞的主要原因不是通常所認為的氟利昂，而是太陽風。一方面，太陽風壓力使南極上空的大氣層變薄，另一方面，進入南極的高能粒子比北極多，消耗的臭氧也比北極多。雖然在科學界對太陽風的高能粒子是不是南極出現臭氧空洞的主要原因是有爭議的，但太陽的紫外線爆發和高能粒子都對臭氧層有影響已是不爭的事實。 5太陽地磁活動 城市疾病相關 研究表明，心臟病、腦血管病和惡性腫瘤的發病和死亡與自然界的一些突發事件如太陽活動及地磁場干擾等外部因素有關，而且很可能某些外部因素在一定程度上對這些疾病的發病和病死起著誘發或加速的作用。 我國一些科學家對我國哈爾濱、長春、北京、上海、武漢和廣州六城市在1956-1963年、1973-1983年和1984-1991年三個時間段內的心臟病、腦血管病和惡性腫瘤的死亡率與太陽黑子相對數、太陽射電流量以及地磁指數的關係進行分析。 他們發現，腦血管病的死亡率與某些太陽及地磁活動因數之間存在著明顯的相關關係。此外，高能電子會使臭氧層變薄，引起海陸生態環境的失調，過量的紫外線照射到地球表面，又會產生無辜的皮膚癌患者。 雖然我國位於中、地緯地區，磁暴期間對我國的電網、通訊電路、油氣管道上的影響不如高緯地區大，但同樣處於中、地位地區的日本已發現地磁暴影響輸電系統的事例。同時，在油氣勘探、海洋和航空導航中，都要用到地磁定向技術。發生強磁暴時，地磁場的向量方向發生大的變化，會嚴重影響定向的精度。總之，我國應加強磁暴對電網、通訊電路、油氣管道影響及磁定向問題的的研究。空間天氣對人類生存環境的影響基本上是全球性的，全方位的，更要深入研究。 五、空間天氣學的基本問題是什麼？ 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 當今，空間天氣學正處在一個世界範圍內起步的階段，許多國家的科學家和政府部門都十分關注空間天氣學的發展和建立8-11。如何有效地推動空間天氣學的發展呢？它涉及如下五個基本問題。 1 空間天氣監測 建立空間天氣的地面、空間的全球監測網是建立和發展空間天氣學的基石。它為空間天氣變化的規律研究、模式與預測、效應分析、防護措施、地面與空間技術系統的運作，以及人類活動決策等提供觀測依據。 空間天氣的監測涉及與地球常規天氣十分不同的一些顯著特點，例如：監測的空間範圍很大。從地面2-30公里以上直至太陽，它涉及物理性質和結構很不相同的空間區域，這是迄今為止人類能直接探測的一個天體系統；監測的對象和參數多。主要包括太陽、多波段電磁輻射、太陽物質拋射事件和太陽帶電粒子事件、行星際太陽風暴、磁層亞暴和磁暴、電子通量增強事件、粒子沉降、輻射帶變化、電離層擾動和閃爍、中高層大氣密度和溫度、風速和成分等的擾動以及空間電狀態改變等等；監測現象的空間、時間尺度的變化範圍大。從行星際激波的106公里到中高層大氣的1公里左右.從幾分鐘、幾小時、幾天到11年太陽活動周變化；監測現象的地域性與全球性。如地磁異常、粒子沉降、電離層異常、地形地貌對高空大氣的成分、狀態的影響。空間天氣的全球性，如存在隨地球的磁經、磁緯度的全球分佈與變化；監測現象的相關性強。太陽日冕物質拋射、行星際風暴、地磁暴、電離層暴、中高層大氣中的熱層暴和銀河宇宙線暴等都存在著很強的時序因果間的相關性。它們是一個空間天氣事件在不同空間區域、不同時間過程的具體表現。 空間天氣現象的這些特點，使空間天氣的監測具有極大的挑戰性，不僅應當不斷完善和建立地面和空間的全球監測系統，而且要盡可能到太陽附近去觀測，才識廬山真面目。 目前國際上這種監測網路已初具規模，而我國空間天氣的監測卻是相對薄弱的。從整體上講距離建設一個監測手段先進、綜合性強與國際接軌的立體監測網路尚有較大距離。 2 空間天氣變化規律的研究 瞭解變化難測的空間天氣變化規律是技術系統設計、人類活動決策（包括軍事活動）和預測空間天氣事件發生的基礎。 空間天氣變化規律研究是當代自然科學極具挑戰性的重大前沿課題之一，它研究富於變幻的太陽活動的能量、動量和質量的產生，在行星際介質中的傳輸和與地球空間系統的相互作用過程。涉及地面實驗室無法模擬的特殊環境：高溫、高電導率、高超真空、高超音速、多種間斷面和邊界層等；涉及宏觀與微觀多種非線性過程和激變過程：如太陽耀斑、日珥、物質拋射、激波傳播、磁場重聯、電離與複合、電離成分與中性成分的動力耦合、重力波、行星波、上下層間的動力耦合等等。這些都是十分重要的基本科學問題。就瞭解一次空間災害性天氣事件而言，就需要把來自不同空間區域的擾動暴發現象，整合成統一的有因果時序關係的“畫面”，進行多學科綜合研究；電離層和中層大氣的研究都先後獲得過諾貝爾獎。 從美國空間天氣計畫看，空間天氣研究領域可分為：（1）太陽/太陽風；（2）磁層；（3）電離層/熱層系統。研究的重點是放在對預報空間天氣變化起關鍵作用的物理過程方面，主要涉及二大方面的問題：一是太陽風暴的形成、傳播與演化；二是它吹過地球時所引起的空間環境的變化。我國日地物理學家們在這些課題的研究方面已有一定的基礎，急待列入國家層次的發展計畫，才能提高整體的國際競爭能力。 3 空間天氣預報 空間天氣預報的準確性、可靠性和及時性直接關係到減少或避免空間災害給人類活動帶來巨大損失和危害的問題。 它的預報水平主要取決於觀測能力和對空間天氣變化規律認識的水平。建立不同空間區域、不同參數和空間天氣事件的因果鏈研究模式是空間天氣預報的基礎，而將這些研究模式轉化為預報員使用的運作模式（Operational models）是關鍵。當前需要研製和完善的空間天氣模式主要涉及：日冕物質拋射模式、太陽耀斑模式、太陽紫外、極紫外和軟X射線模式、太陽風模式、磁層粒子和場模式、地磁擾動模式、輻射帶模式、極光模式、電離層背景、擾動、電場和閃爍中性大氣模式（熱層和中層）等等。 美國目前的預報水平和能力是這樣：警報空間災害發生在24小時內，對太陽、行星際的預報能力非常有限，而對地球空間系統尚無能力滿足需求；現報給出當時的空間天氣條件以及推演到觀測條件發生新變化前的一個短暫的天氣條件，對整個日地空間環境來說，這種能力都非常有限；預報短期預報（幾小時到幾天）、中期預報（提前幾個月）和長期預報（長達11年太陽活動週期），對太陽、行星際和中性大氣其能力非常有限，對磁層和電離層更是無力滿足； 我國在太陽活動、地磁暴和電離層預報方面已有一定歷史集累，也做出了很好的工作。整體講，我們的預報對西方國家的觀測和預報有太多的依賴性，這是十分危險的事。 4空間天氣服務 空間天氣學要為人類的高科技活動“保駕護航”，開展空間天氣服務，減輕或避免空間災害的損失與危害是它的終極目的。 空間天氣服務包括：提供空間天氣產品常規產品：觀測資料、模式、環境規範；效應分析；專項產品根據用戶的特定需要而進行特別加工的產品；預報產品、警報、現報、預報；效應診斷與分析鑒別系統異常或失效是否由空間天氣因素或其他工程設計、機械故障或軟體錯誤引起；建議防護措施或改進工程設計；調整地面與空間技術系統的運作程式和採取應變措施；教育與培養增強公眾（包括政府官員和新聞媒介）對空間天氣及其影響的意識；培養足夠數量的高素質科學與工程人員。 從我國的國情看，空間天氣服務遠遠落後於西方發達國家，除了全民的科技水平落後這一重要原因外，我國現行的管理體制，部門所有制等，導致缺乏宏觀調控和強有力的國家計畫指導也是重要因素。因此，要作好空間天氣服務，當務之急是需要空間天氣有關各方：科學、教育、工程、用戶和政府等，建立有效的協調工作體系，成為一種國家指導下的行為，方能事半功倍。 5、空間天氣的技術支撐系統 空間天氣資訊的處理與傳輸系統是實現空間天氣學、為發展高科技“保駕護航”、發揮重要科學、經濟與社會效益的重要技術支撐系統。它的水平如何，直接關係到空間天氣學的發展速度和水平。 空間天氣資訊包括來自全球的地面和空間的觀測資料、研究模式、用戶需用的天氣新產品（包括各類圖形和動態圖像等）、空間天氣對人類活動的影響，包括對技術系統的效應損傷與防護，用戶諮詢和訪問等等。這些龐大的種類多樣、複雜資訊的即時採集、加工、處理和分析、即時運行複雜的模式、顯示和處理圖像，快速獲得、生成和傳輸空間天氣產品、新資料的獲取和模式的更新等，以及建立相應的資料庫和專家系統等。需要建立強有力的高性能的電腦系統和進行資訊傳輸的網路系統，以及不斷升級硬體和軟體來滿足不斷增長的需要。它們對於發展和建立空間天氣學來都是十分重要的技術支撐系統，它是先進與落後與否常常帶來是事半功倍還是事倍功半的截然不同的效果。 如果我們能解決好發展空間天氣學的上述五方面問題，我國的空間天氣學必將在不長的時期內（5-10年）走到國際的前列去，為中國和人類進入高科技的21世紀做出重要貢獻！ 六、如何監測空間天氣的變化？ 焦維新1 王家龍2 1北京大學地球物理系 100871 2北京天文臺 100101 每當“新聞聯播”之後，人們就可從電視螢幕上瞭解到今後幾天天氣的情況。即使對氣象學一無所知，但僅憑雲圖的變化，都能判斷出今明幾天是好還是壞。這都是“氣象衛星”的功勞，因為它“高瞻遠矚”，在很短的時間內，就把全球的天氣看個夠。 現在，人類之所以能比較準確地預報天氣，其基本條件是建立了從地到天、遍及全球的立體觀測系統。傳統的天氣是這樣，人們要想預測和預報空間天氣，也必須建立相應的觀測系統，而且這個系統要比傳統的更龐大、更複雜。 空間天氣涉及的空間範圍從距地面60公里左右一直到太陽大氣表面，而人們通常所說的天氣，主要限20公里以下；傳統天氣所要觀測的要素，主要是風、溫度、壓強、降雨量、雲層分佈等中性大氣的狀態；而空間天氣所涉及的物理參數比這複雜得多，除了要測量高層中性大氣的參數外，還要測量等離子體、高能粒子輻射、電磁輻射、靜電場與靜磁場等多種參數。要及時地提供這些參數，所需衛星的種類和數量要比氣象衛星多得多，地面觀測的內容和方式也與氣象觀測有很大差別。 空間天氣的一個顯著特點是受太陽活動的直接影響，換句話說，劇烈的太陽活動是災害性空間天氣的源。能夠造成空間天氣較大變化的太陽活動包括耀斑、日冕質量拋射、高速太陽風等。因此，為了預報空間天氣，首先要密切監視太陽的變化。 太陽活動時常有波長短於可見光的電磁輻射，如紫外線、X射線和伽瑪射線等。這種輻射由於地球大氣的存在，在地面上接收有困難，只好把觀測儀器放在人造飛行器上，從空間來監視太陽活動。同時，專門探測粒子的儀器也放在人造衛星上，監測太陽輻射出的各種能量的荷電粒子以及中子。近一、二十年來，使用衛星拍攝到的太陽X射線像，及大範圍白光日冕像，科學家們對太陽活動現象，如太陽耀斑和日面物質拋射，作了大量分析，獲得了不少新的結果。這些結果不但有助於我們認識太陽活動現象，也有助於我們發展空間天氣的監測與發展災害性空間天氣的預測工作。 目前監測太陽的主要衛星有美國和歐洲共同發射的“太陽與日球觀測台”(SOHO)、美國的“太陽風”(WIND)和“過渡區及日冕探測者”(TRCE)、日本的“陽光”(Yohkoh)等。SOHO位於日地聯線的拉格朗日點地球上游，能對太陽爆發性活動提前30多分鐘向地球發出警報，它在監測太陽活動方面作出了突出的貢獻。但SOHO是1995年12月發射的，已經在惡劣的輻射環境中工作4年多，目前的工作狀態已不能滿足需要。在21世紀初，計畫監測太陽的飛船主要有: 可對太陽射線成像的“高能太陽成像譜儀”(HESSI)，能測量三維日冕質量拋射的“日地關係觀測台”(STEREO)，可測量太陽磁場三維結構的Solar-B，在太陽表面3110個半徑區就地和遙感測量的“太陽探測器”(Solar Probe)等。 知道了太陽怎樣變化，還要瞭解地球空間是怎樣回應的。這就需要對地球的磁層、電離層和中高層大氣進行觀測。目前正在運行的衛星主要有：能對全球極光成像的“極區”(Polar)飛船、研究磁尾動力學的“磁尾”(Geotail)飛船、提供太陽風參數的“行星際平臺-8”(IMP-8)、研究地球極光區物理學的“快速極光快照探索