空间天气十年

1. 空间天气十年 ——回顾与展望 魏奉思 《中国空间天气保障能力发展战略建议》咨询专家组 中国科学院空间科学与应用研究中心 空间天气学国家重点实验室 2009.09.28

2. 空间天气十年 • 、什么是空间天气 （1）空间环境 （2）空间天气 二、过去十年——跨越发展的十年：科学与应用结合 （1）美国十年——走向体制、机制的跨越发展 （2）中国十年——第一次起步的跨越发展 三、未来十年——提升认知能力向保障能力发展 （1）美国总统令——目标之一是引领空间天气发展新战略 （2）中国的发展战略——实现第二次跨越发展：进入先进国家之列

3. 一、什么是空间天气？ （1）空间环境 日球空间环境 日地空间环境

4. 2.空间天气 空间天气（Space Weather）一词始于1970年（M. Dryer博士在“太阳活动观测和预报”一书的前言中说：“做出准确的空间天气预报显然是需要有的”），流行于1995年美国制定国家空间天气战略计划之后；我国科学家大体同时也关注空间天气。 空间天气的概念是在与地球天气类比的基础上发展起来的（T.M.Georges, 1967和T. Gold, 1959)，它研究离开地表20~30Km以上直至太阳大气这整个日地空间环境中有关电磁环境、粒子环境和大气环境的那些突发性的暴时变化现象，尤如地球天气中的暴风雨、雷鸣闪电现象。 太阳质子爆发流量记录，流量可为正常值的千万倍以上 太阳X射线爆发流量记录曲线 行星际太阳风暴V≈2千公里/秒 太阳风暴示意

5. 太 阳 电磁辐射 高能粒子 日冕物质抛射 地 球 空 间 环 境 电磁环境 粒子环境 大气环境 突发性、急剧变化 空 间 天 气 灾 害 航天 通信 导航 电力 生命 空间安全

6. 空间天气对人类活动的影响 • 一切轨道高度载人和非载人的空间技术系统，都将受空间天气影响； ★ 卫星故障大约40%与空间天气条件有关，有时一次空间天气事件会使天上59％的科学卫星受影响；宇航员与极区长航空机组人员和乘客的健康与生命常受威胁； • 一切波段的通信、导航、定位都将受到空间天气的影响，严重时会全面中断； • 空间天气影响电力、油气输运系统，特别是高纬地区，电网常损毁、断电； • 空间天气影响高技术战争和军事行动的所有任务领域，是军力倍增器； 空间天气影响经济社会平稳运行、科技进步和空间安全，开始成为一门新兴的 空间天气事业。 地球同步轨道卫星、通讯卫星、GPS、国际空间站、协和式飞机都会受到空间天气的影响

7. （2）发展历程 • 起步 1965-1995：了解日地空间自然现象的科学探索时期 • 美国空间环境实验室成立 IQSY、IMS、SMY、 STP、 MAP、STEP等 2. 跨越 1995-2006：科学与应用结合的时期 • 美国空间天气十年战略计划 ——以国家利益需求牵引的基础研究 • 欧空局、俄罗斯、日本、加拿大、澳大利亚等相继制定国家空间天气起步计划 空间天气研究成为国际科技活动热点之一！

8. 3. 腾飞 2007-2020：开始进入建立空间天气保障体系新时期 • 聚焦日地系统全球过程与集成建模研究； • 向局部空间区域精细化探测、建模和预报方向发展。 • 国际ILWS计划 • 美国已制定新的十年计划——向实时、精确、可靠的方向发展 • 我国“夸父”空间天气卫星探测计划将做出核心贡献 • 我国应建立地球空间天气保障体系 美国气象服务和支撑研究联邦协调办公室（OFCM）建议了一个积极的、融合的、部门间的SWx架构（architecture）在未来10年内提供实时、精确和可靠的空间环境观测、规范和预报。 (国家安全空间架构/空间天气架构研究/转变战略，1999.3.22) 4. 服务2020-2030：国际化的全球空间天气保障服务体系将建立 ——空间天气进入持续发展，为人类社会的文明进步服务，尤如今天的气象事业。

9. 二、过去十年——跨越发展的十年：科学与应用结合二、过去十年——跨越发展的十年：科学与应用结合 1.美国十年——走向体制、机制的跨越发展 • 1995-2006：美国空间天气十年战略计划 ——以国家利益需求牵引的基础研究 结论2.1 头十年。自1995年起，国家空间天气计划（NSWP）有若干显著的成就，其大多数成就若没有这个计划是不会取得的。美国有关安全、商贸和科学进步所信赖的许多重要技术系统会受到空间天气事件的影响，制度化的预报和防护机制业已取得了重要的跨越（strides）。

10. 美国空间天气十年评估委员会的四项建议 （A） 加强统一的计划管理，建立国家资金优先权，增加国家空间天气计划NSWP的有效性 • 在白宫科技政策办公室和管理与预算办公室（OMB）中为计划建立一个专项 （B）关于空间天气预报和业务的关键数据源的持续性 • 联邦政府应保证NSWP关键数据源的连续性，特别是L1探测； • 新的、低簾的微小卫星技术的利用潜力应予考察 （C）强化科学与用户链—— • 保持和加强任务性和战略性的空间天气研究 • 加强模型到业务用户转变的重点和资源 （D）提升公众和用户有关空间天气关系国家重要需求的认知 • 量化由NSWP产生的国家利益 • 加强对新的空间天气专业人员的科学与专业的教育计划 存在问题： ☆管理体制 ☆关键的数据获取 ☆建模——研究向业务转变 ☆专业人才不足

11. 建模与预报能力尚处发展之中 • 未来十年会迎来新飞跃！ 红——没有能力满足给定区域事件的要求； 红/黄——很有限的能力； 黄——有一些能力但还不能满足需求；

12. 美 欧 2. 我国十年（1997-2007）实现第一次起步的跨越 • 双星计划、子午工程、前沿研究、体系建设 研究 观测 体制 目前位置 2015 2020 2007 1997 起步 一次跨越 二次跨越 进入前列

13. （A）空间天气天基探测开始上轨道 ——国家重大工程任务相继实施与启动 • 国家重大项目支撑 双星计划

14. “夸父”计划

15. (B) 地基建设进步很快 “子午工程” ——监测120°E子午链上空间环境的变化。（2007年开工建设，地磁/电离层/中高层大气链于2008-2009建好，非相干散射雷达2010年全部建成）； 为《项目》提供120°E子午链地基自主观测数据 空间环境监测系统 • 无线电 • 地磁（电） • 光学 • 探空火箭 • 20余种手段 • 20余种参数

16. 武汉大学建成世界上第三台瑞利／铁共振荧光激光雷达，可测量25－80km的大气密度和温度。将中、高层大气测风精度最高的探测设备VHF、MST雷达也在武汉大学进成；武汉大学建成世界上第三台瑞利／铁共振荧光激光雷达，可测量25－80km的大气密度和温度。将中、高层大气测风精度最高的探测设备VHF、MST雷达也在武汉大学进成； • 中国科技大学也正在建设瑞利／钠激光雷达等地基观测； • 中国极地研究中心建成了中国南、北极综合观测站，获得了该站三波段同时观测的极光全天空图像； • 信息产业部22所也开始在全球部署电离层闪烁接收监测网等等； • 中科院地质与地球所的地磁台链建设初见成效，负责牵头的电离层链也初具规模； • 中科院空间中心在海南岛更新了先进的电离层数字测高仪、地磁和其它综合观测；

17. (C) 基础研究开始站到国际前沿 • 组织和参予了多项国家基础研究项目 • 国家基金委重大“八五”、“九五”、“十五”、“十一五” • 国家973：“十五”、“十一五” • 等等 • 亮点工作：太阳大气磁天气过程、中阳风中磁流体湍动本质、行星际扰动传播、磁层能量传输与释放、磁重联过程、中高层大气的探测与研究、电离层区域异常与建模、太阳活动、地磁、电离层天气预报方法以及极区空间环境的探测研究等； • 获国家自然科学奖、陈嘉庚奖、何梁何利奖多项； • 国际空间研究委员会、欧空局、日地物理委员会多项奖励； • 国际SCI文章数和影响力快速提升，具一定规模和影响。

18. (D) 学术交流活动助推学科发展 • 召开了六次全国空间天气学研讨会(1997-2007) • 第一届全球华人空间天气科学大会（澳门2005.11） • 第二届全球华人空间天气科学大会（南京2009.10） • “中国空间天气发展战略计划建议” （2004，科学出版社） • 空间天气学十问（科学时报发表，200） • 科教片“空间天气与人类活动”已拍样片 • 提出“中国空间天气保障能力发展战略建议”，等

19. (E) 队伍建设欣欣向荣 • ☆新建设的有关空间天气研究的单位 • 国家空间天气学重点实验室 • 北京大学的空间天气分析中心 • 中国气象局的国家空间天气监测与预警中心 • 南京解放军理工大学空间天气专业设置 • 大连海运学院等单位 • 山东大学威海分校 • 湖南长沙大学：空间等离子体研究所 • 北京航空航天大学宇航学院空间物理专业 • 等等。 ☆涌现出一批优秀中青年学术带头人（按姓氏笔画） 万卫星、马志伟、王赤、王劲松、王传兵、邓晓华、宁百齐、冯学尚、付绥燕、史建魁、刘立波、陈鹏飞、陈耿雄、陈耀、陈涛、吕建永、陆全明、吴健、沈超、汪毓明、李义、李涛、肖伏良、杨惠根、张绍东、张北辰、张效信、易帆、郑惠楠、夏利东、胡虹桥、赵华、秦刚、徐寄遥、曹晋滨、赵振宇、窦贤康等

20. (F)最佳国际合作架构开始形成 • 国际“双星－ClusterⅡ”合作计划的实施 • “夸父”空间天气探测计划的诸多国家合作实施 • “国际空间天气子午圈计划”的组织和实施 • 全球华人空间天气领域交流、合作框架的逐步建立，等等。 过去十年，我国空间天气科学在观测、研究、预报和队伍的能力方面实现起步的跨越发展，为下一个十年实现保障能力的跨越发展奠定了基础！

21. 三、未来十年——飞跃发展：全球行为 （1）美国总统令——目标之一是引领空间天气发展新战略 《探索精神的复兴：美国空间探索远景规划》 基本目标是：“通过有力的空间计划推进美国的科学、安全和经济发展” • 美国宇航局2006-2016战略计划之战略目标3 ——“将空间探索重新作为人类空间飞行计划的重点，制定平衡的科学、探索和航空总体计划”。

22. 6个子目标： 3A 从空间研究行星地球，加深科学认识，满足社会需求——地球科学 3B 认识太阳及其对地球和太阳系的影响——日球层物理 3C 增加有关太阳系起源和历史，地外生命存在的可能性，人类探索空间面临的灾害和资源的科学知识——行星科学 3D 发现宇宙的起源、结构、演化和命运，寻找类地行星——天体物理学 3E 增加航空基础领域的知识，发展技术，提高飞机安全性能，增强空域系统能力 3F 认识空间环境对人类行为的影响，测试新技术、新措施，保障人类长期的空间探索

23. 在美国宇航局战略计划中描述其目标之一 “认识太阳及其对地球和太阳系的影响”时写到 “人类的生命与太阳的活动紧密相关，太阳的变化严重影响地球上生命的生存。太阳亮度的长期变化造成了冰川纪；11年太阳活动周期造成的强耀斑和日冕物质抛射，影响地球，干扰通信和导航，威胁航天员的生命，毁坏卫星，造成电网故障。对太阳活动性及其对太阳系影响的研究将为非载人和载人探索提供安全保障。”

24. “科学家对日地关系中物理学的认识仅仅是初步的，还需要进一步理解太阳内部深处的发电机效应，探测炙热的太阳大气层的复杂结构，从太阳到地球跟踪太阳系的复杂响应。通过这些工作，人们将更深入地认识一些问题，如太阳如何影响人类和太阳系。作为一个越来越依靠空间技术的社会，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。“科学家对日地关系中物理学的认识仅仅是初步的，还需要进一步理解太阳内部深处的发电机效应，探测炙热的太阳大气层的复杂结构，从太阳到地球跟踪太阳系的复杂响应。通过这些工作，人们将更深入地认识一些问题，如太阳如何影响人类和太阳系。作为一个越来越依靠空间技术的社会，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。 为此，NASA的目标是要通过从整体上研究太阳、日球层以及行星环境这一系统，认识理解并预报空间天气。为了实现这一目标，NASA将通过研究并理解空间环境——从太阳到地球到其他行星或更远至星际介质的基本物理过程，开拓空间天气预报的前沿。

25. 人类历史上的第一次 太阳探测器（Solar Probe）将飞往太阳系尚未被探测的区域之一——太阳大气或日冕，第一次飞近到离太阳9.5Rs（或4Rs）去看太阳，这将是人类历史上的第一次——具有划时代意义的飞行任务。

27. （2） 中国将努力实现第二次跨越发展：进入先进国家之列 • 指导思想 • 以基本能力建设为主线 • 以凝练国家重大项目任务为核心 • 以提升自主创新能力和国家空间安全保障能力为目标 • 以减轻或避免空间天气灾害，服务经济社会发展和人类和平进步事业为宗旨 战略目标 • 发展空间天气全球整体行为的监测能力 • 提升空间天气科学前沿研究的创新能力 • 增强空间天气集成建模和预报能力 • 拓展空间天气效应与服务的应用能力 十年计划：建设地球空间天气保障体系

28. 美 欧 中国 研究 观测 体制 主要标志 • “夸父”计划、磁层/电离层/热层（MIT）计划、小卫星计划 • 子午工程二期 • 重大研究计划 • 体系建设 研究 观测 体制 目前位置 2015 2020 2007 1997 起步 一次跨越 二次跨越 进入前列

29. 战略任务 • 国家重大基金研究项目； • 国家重点研究计划(973项目)； • 《子午工程》(2010建成)。 正在实施： 已批准为预研： • “夸父”空间天气探测卫星计划； 正在推动： • 空间天气小卫星序列计划； • 空间天气重大研究计划； • 地球空间环境综合监测网(子午工程二期)； • 磁层/电离层/热层(MIT)计划； • 地球空间天气保障体系专项计划(十年计划)。 • 管理、计划、预报、防护体系建设

30. 十 年 愿 景 • 实现我国空间天气科学（在监测、研究、预报和建模等）进入先进国家之列的跨越发展； • 初步具有应对严重空间天气灾害的保障能力，为减轻或避免空间天气灾害做出中国人应有的贡献。 期盼多一些人 仰望星空 “一个民族都只关心脚下的事情，那是没有未来的；多一些人仰望星空，这个民族才有希望。” （温总理在同济大学建校100周年庆祝活动期间的讲话） 恭祝 参加本次会议的全球华人代表在南京度过一段难忘时光