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魏奉思:空间天气学基础问题解答(下)
来源:中国科学院空间科学与应用研究中心     日期:2012年02月10日    字体:【】【】【
  空间天气学的基本问题是什么?

  当今,空间天气学正处在一个世界范围内起步的阶段,许多国家的科学家和政府部门都十分关注空间天气学的发展和建立。如何有效地推动空间天气学的发展呢?它涉及如下五个基本问题。

  1. 空间天气监测

  建立空间天气的地面、空间的全球监测网是建立和发展空间天气学的基石。它为空间天气变化的规律研究、模式与预测、效应分析、防护措施、地面与空间技术系统的运作,以及人类活动决策等提供观测依据。

  空间天气的监测涉及与地球常规天气十分不同的一些显著特点,例如:监测的空间范围很大。从地面2-30公里以上直至太阳,它涉及物理性质和结构很不相同的空间区域,这是迄今为止人类能直接探测的一个天体系统;监测的对象和参数多。主要包括太阳、多波段电磁辐射、太阳物质抛射事件和太阳带电粒子事件、行星际太阳风暴、磁层亚暴和磁暴、电子通量增强事件、粒子沉降、辐射带变化、电离层扰动和闪烁、中高层大气密度和温度、风速和成分等的扰动以及空间电状态改变等等;监测现象的空间、时间尺度的变化范围大。从行星际激波的106公里到中高层大气的1公里左右.从几分钟、几小时、几天到11年太阳活动周变化;监测现象的地域性与全球性。如地磁异常、粒子沉降、电离层异常、地形地貌对高空大气的成分、状态的影响。空间天气的全球性,如存在随地球的磁经、磁纬度的全球分布与变化;监测现象的相关性强。太阳日冕物质抛射、行星际风暴、地磁暴、电离层暴、中高层大气中的热层暴和银河宇宙线暴等都存在着很强的时序因果间的相关性。它们是一个空间天气事件在不同空间区域、不同时间过程的具体表现。

  空间天气现象的这些特点,使空间天气的监测具有极大的挑战性,不仅应当不断完善和建立地面和空间的全球监测系统,而且要尽可能到太阳附近去观测,才识庐山真面目。

  目前国际上这种监测网络已初具规模,而我国空间天气的监测却是相对薄弱的。从整体上讲距离建设一个监测手段先进、综合性强与国际接轨的立体监测网络尚有较大距离。

  2. 空间天气变化规律的研究

  了解变化难测的空间天气变化规律是技术系统设计、人类活动决策和预测空间天气事件发生的基础。

  空间天气变化规律研究是当代自然科学极具挑战性的重大前沿课题之一,它研究富于变幻的太阳活动的能量、动量和质量的产生,在行星际介质中的传输和与地球空间系统的相互作用过程。涉及地面实验室无法模拟的特殊环境:高温、高电导率、高超真空、高超音速、多种间断面和边界层等;涉及宏观与微观多种非线性过程和激变过程:如太阳耀斑、日珥、物质抛射、激波传播、磁场重联、电离与复合、电离成分与中性成分的动力耦合、重力波、行星波、上下层间的动力耦合等等。这些都是十分重要的基本科学问题。就了解一次空间灾害性天气事件而言,就需要把来自不同空间区域的扰动暴发现象,整合成统一的有因果时序关系的“画面”,进行多学科综合研究;电离层和中层大气的研究都先后获得过诺贝尔奖。

  从美国空间天气计划看,空间天气研究领域可分为:(1)太阳/太阳风;(2)磁层;(3)电离层/热层系统。研究的重点是放在对预报空间天气变化起关键作用的物理过程方面,主要涉及二大方面的问题:一是太阳风暴的形成、传播与演化;二是它吹过地球时所引起的空间环境的变化。我国日地物理学家们在这些课题的研究方面已有一定的基础,急待列入国家层次的发展计划,才能提高整体的国际竞争能力。

  3. 空间天气预报

  空间天气预报的准确性、可靠性和及时性直接关系到减少或避免空间灾害给人类活动带来巨大损失和危害的问题。

  它的预报水平主要取决于观测能力和对空间天气变化规律认识的水平。建立不同空间区域、不同参数和空间天气事件的因果链研究模式是空间天气预报的基础,而将这些研究模式转化为预报员使用的运作模式(Operational models)是关键。当前需要研制和完善的空间天气模式主要涉及:日冕物质抛射模式、太阳耀斑模式、太阳紫外、极紫外和软X射线模式、太阳风模式、磁层粒子和场模式、地磁扰动模式、辐射带模式、极光模式、电离层背景、扰动、电场和闪烁中性大气模式(热层和中层)等等。

  美国目前的预报水平和能力是这样:警报——空间灾害发生在24小时内,对太阳、行星际的预报能力非常有限,而对地球空间系统尚无能力满足需求;现报——给出当时的空间天气条件以及推演到观测条件发生新变化前的一个短暂的天气条件,对整个日地空间环境来说,这种能力都非常有限;预报——短期预报(几小时到几天)、中期预报(提前几个月)和长期预报(长达11年太阳活动周期),对太阳、行星际和中性大气其能力非常有限,对磁层和电离层更是无力满足; 我国在太阳活动、地磁暴和电离层预报方面已有一定历史集累,也做出了很好的工作。整体讲,我们的预报对西方国家的观测和预报有太多的依赖性,这是十分危险的事。

  4.空间天气服务

  空间天气学要为人类的高科技活动“保驾护航”,开展空间天气服务,减轻或避免空间灾害的损失与危害是它的终极目的。

  空间天气服务包括:提供空间天气产品——常规产品:观测数据、模式、环境规范;效应分析;专项产品——根据用户的特定需要而进行特别加工的产品;预报产品、警报、现报、预报;效应诊断与分析——鉴别系统异常或失效是否由空间天气因素或其他工程设计、机械故障或软件错误引起;建议防护措施或改进工程设计;调整地面与空间技术系统的运作程序和采取应变措施;教育与培养——增强公众(包括政府官员和新闻媒介)对空间天气及其影响的意识;培养足够数量的高素质科学与工程人员。

  从我国的国情看,空间天气服务远远落后于西方发达国家,除了全民的科技水平落后这一重要原因外,我国现行的管理体制,部门所有制等,导致缺乏宏观调控和强有力的国家计划指导也是重要因素。因此,要作好空间天气服务,当务之急是需要空间天气有关各方:科学、教育、工程、用户和政府等,建立有效的协调工作体系,成为一种国家指导下的行为,方能事半功倍。

  5、空间天气的技术支撑系统

  空间天气信息的处理与传输系统是实现空间天气学、为发展高科技“保驾护航”、发挥重要科学、经济与社会效益的重要技术支撑系统。它的水平如何,直接关系到空间天气学的发展速度和水平。

  空间天气信息包括来自全球的地面和空间的观测数据、研究模式、用户需用的天气新产品(包括各类图形和动态图像等)、空间天气对人类活动的影响,包括对技术系统的效应损伤与防护,用户咨询和访问等等。这些庞大的种类多样、复杂信息的实时采集、加工、处理和分析、实时运行复杂的模式、显示和处理图像,快速获得、生成和传输空间天气产品、新数据的获取和模式的更新等,以及建立相应的数据库和专家系统等。需要建立强有力的高性能的计算机系统和进行信息传输的网络系统,以及不断升级硬件和软件来满足不断增长的需要。它们对于发展和建立空间天气学来都是十分重要的技术支撑系统,它是先进与落后与否常常带来是事半功倍还是事倍功半的截然不同的效果。

  如果我们能解决好发展空间天气学的上述五方面问题,我国的空间天气学必将在不长的时期内(5-10年)走到国际的前列去,为中国和人类进入高科技的21世纪做出重要贡献!(魏奉思 中国科学院院士)



  
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