空间天气科学与有效和平利用空间

魏奉思

（中国科学院 国家空间科学中心 空间天气学国家重点实验室，北京 100190）

0 引言

随着人类文明的进步和航天科技的发展，人类社会进入空间时代，有效进出空间、和平利用空间、保障空间安全成为经济社会可持续发展的重要驱动力。空间天气科学作为认知空间、服务社会的一门交叉学科于20世纪90年代应运而生。它有如旭日东升，迅速成为国际科技活动热点之一，得到快速发展[1]。

空间环境分为日球空间环境、日地空间环境和地球空间环境，而地球空间环境根据高度又可以划分为地表大气、临近空间和近地空间环境。空间 环境按其成分性质包含电磁辐射、带电粒子、中性大气和等离子体，以及空间碎片与微流星体等。应特别指出的是，地球磁场是一种重要的地球空间环境，它在一定程度上为地球提供保护，使其免受高能带电粒子辐射和太阳风等离子体流吹袭的威胁。

随着20世纪50年代的人造卫星上天，人们开始了空间物理学的研究。到60～80年代，人们逐步认识到日地关系的重要性，由此开展了日地物理学的研究；至80～90年代，开展了日球（层）物理学的研究；90年代至今，人们认识到空间天气对人类生存与发展活动的重要影响，开始了对空间天气科学的研究。

本文首先对空间天气科学的发展历程和发展态势进行分析，进而对有效和平利用空间与空间天气科学的关系进行讨论，最后对未来十年的学科发展进行展望，并给出我国具体行动的初步建议。

1 空间天气科学的内涵及发展历程

1.1 内涵

空间天气科学是一门新兴的前沿交叉科学。它以空间物理为学科基础，与太阳物理、地球物理、大气物理、等离子体物理等多学科交叉综合，与通信/导航技术、跟踪定位技术、电子技术、光电技术、成像技术等多种航空航天工程技术紧密结合。

空间天气科学聚焦监测、研究、预报日地空间乃至太阳系中突发性的环境条件变化、基本过程、变化规律及其对天基、地基技术系统和人类健康与生命的危害效应。

空间天气科学旨在探索空间天气变化奥秘，减轻或避免空间天气灾害，保障人类空间活动安全以及有效和平利用空间，为人类社会全面进入空间时代的发展服务。

空间天气科学也是一门关乎人类社会生存与发展的战略科学，将为人类的经济社会发展、科技进步和空间安全做出重要贡献。

1.2 发展历程

空间天气科学的发展可以大致分为以下3 个阶段，如图1所示。

1）思考阶段（1989—1994年）：该阶段是基于空间天气对人类活动产生的危害，有如1989年3月一次大的太阳风暴吹袭地球（磁暴指数Dst＜-589 nT），给航天、通信、导航带来严重影响，特别是对加拿大电力系统的破坏，震惊国际社会，人们开始意识到除了地震、海啸、飓风等传统的重大自然灾害外，还有一种非传统的空间天气灾害，也会给人类的生存与发展带来严重危害。这引发了科技发达国家的政治、军事、工业和科技界人士对此进行思考和探索[2]。

2）国家行为阶段（1995—2005年）：该阶段是在对空间天气灾害思考和探索的基础上，进一步认识到空间天气对国家空间安全的影响，从而使空间天气研究成为科技发达国家的一种国家行为受到关注[1-3]。

3）国际行为阶段（2006年至今）：该阶段是快速发展阶段，世界各国不但对空间天气灾害及其对空间安全的影响进行研究，而且关注空间天气对经济社会发展的影响，且受到联合国、世界气象组织和国际科技界的普遍关注，成为一种国际行为。空间天气科学开始进入空间时代，成为为有效和平利用空间服务的科学。

图1 空间天气科学发展历程Fig.1 The development history of space weather science

1.3 蓬勃发展

进入21世纪，随着世界航天大国开展航天活动的逐步增多和航天科技水平的提高，空间天气科学得到了蓬勃的发展，主要表现为以下几个方面：

1）成为国际科技活动的热点之一

世界许多国家及国际组织相继制定了国家空间天气科学起步计划，包括美国、日本、欧空局、俄罗斯、加拿大、德国、法国、捷克、丹麦、芬兰、意大利、挪威、西班牙、瑞典、土耳其、英国、澳大利亚等。其中“国际与星同在”（International Living With a Star，ILWS）计划[4]是一项规模宏大的空间天气计划，其目的是把日地联结为一个系统，对关乎人类生存与发展的科学问题进行探测与研究，并把由此获得的知识应用到将来地基、天基技术系统的设计和防护。

随着人类空间活动的需求，空间天气的探测和研究范围逐步将日地空间天气和整个太阳系的空间天气结合起来；针对空间天气关键科学问题，制定一系列卫星探测计划。

2）以美国为代表的航天大国高度关注

作为世界航天强国，美国对空间天气科学高度关注。美国航天战略计划（2007—2016）[5]的目标之一就是“认识太阳及其对地球和太阳系的影响”。美国白宫2010年6月通过评估、批准新制定的第二个国家空间天气十年计划[6]，对空间天气基础工作作出部署，该计划是由商务部（DoC）、国防部（DoD）、交通运输部（DoT）、内政部（DoI）、能源部（DoE）、国务院（DoS）、国家航空航天局（NASA）、国家科学基金会（NSF）八大部委联合提出。美国减灾委员会把空间天气灾害纳入美国重大减灾挑战的十年计划中。2011年春美国总统奥巴马与英国首相卡梅隆会谈，其中包括空间天气研究与服务领域的合作，2011年秋正式实施。奥巴马总统在 2012年早期，指示科技政策办公室（OSTP）和国家安全官员“积极主动推进空间天气减灾的努力”[7]。

3）国际社会高度重视

联合国关注空间天气，2009年起支持“国际空间天气起步计划”，协调全球的空间天气监测与研究等活动；世界气象组织（WMO）2010年设立“空间天气协调组”；国际科学组织设立空间天气专题委员会；欧空局继实施空间天气计划之后，于2010年主持制定空间态势认知十年计划，有13 个成员国参加；NASA 计划发射5 颗卫星组成“飞船空间天气站”，紧盯空间天气变化；英国皇家工程院专门针对空间天气灾害提出了报告[8]，等等。

随着SOHO、IBEX、STEREO 等系列空间天气服务卫星的发射及在轨运行，美国初步具有对空间天气的全球监测能力，如图2所示。

图2 空间天气全球监测网示意图Fig.2 The space-borne global system for monitoring space weather

2 空间天气科学的发展态势

随着空间天气科学的发展，它在经济社会、科学技术、空间安全等方面的重要作用日益凸显，其发展态势可用如下“三器”来形象概括。

2.1 空间天气科学正日益成为经济社会发展的 “助推器”

空间天气科学在经济社会发展方面的作用主要表现在以下两个方面：

1）应对空间天气灾害，保障经济社会平稳运行

太阳风暴吹袭地球产生的电离层暴、电离层骚扰和电离层闪烁使通信、导航受影响。美国国家科学院2009年1月特别报告指出[9]：假如一个距离我们1.5 亿km 之外的超强太阳风暴吹袭地球，如150年前发生过的Dst＜-1500 nT 的风暴，90 s 后导致整个美国东部地区停电，许多国家基础设施将遭受不同程度的损毁，经济损失可达1～2 万亿美元，恢复重建至少需4～10年。同时，欧洲、中国以及日本等地区或国家也都将遭受重创。在如此强的磁暴下，处于磁层的大多数卫星将会遭到相当程度的破坏，美国航天的直接经济损失将高达2300 亿美元。据初估我国也有千亿元人民币的巨大损失。统计上，几乎每年都有重大空间灾害性天气事件发生。一个显著的例证是2010年5月11日“杀手电子暴”导致美国ATT 公司的Galaxy-15 卫星（重 2 t，造价5 亿美元）变成“僵尸卫星”。

对我国而言，20世纪90年代后人们才认识到，空间天气常引发卫星故障，无线电短波通信中断时有发生，导航定位误差增加，电力系统也曾检测到异常等。例如1998年10月，一次太阳风暴吹袭地球时，海南海口市记录到的GPS 信号闪烁高达近20 dB，北方一次短波通信中断长达17 h 等。因此，为了应对空间天气的挑战，我们应当成为有空间天气知识和保障能力的国家！

2）服务有效和平利用空间，开拓经济增长新领域

有效和平利用空间，是关系人类社会可持续发展的重大战略方向之一，自人造卫星上天以来就一直受到国际社会的高度关注，其涉及的范围十分广泛。高度服务于经济社会活动的空间技术系统都是在空间天气环境中运行的，其效益的发挥都受到空间天气的影响。关于空间天气科学对经济发展的重要性，欧空局在分析空间天气计划效益时作了很好的注释[10]。欧空局报告指出，空间天气计划关系欧洲实体、政府、军队、跨国公司、中小企业和个人诸多用户的多方面利益。从战略利益上讲，将提高欧洲工业、军事、科学和技术的独立性；从经济利益上讲，将提高用户商业竞争力；从科学与技术方面讲，可促进新产品和新兴产业的发展；从教育方面讲，将提高人们对科学、空间以及空间天气将如何影响他们生活的理解。一些减灾保险业也开始涉 足空间天气相关的业务[11-12]。

2.2 空间天气科学将是助力科技革命的“加速器”

有效和平利用空间将是新一轮科技革命的一个战略新高地，需构建新的科学认知体系，即把人类的知识从地球实验室向空间实验室拓展，以及从碰撞系统向无碰撞系统拓展的知识体系，如图3所示。这将是人们面临的一项紧迫的战略任务。传统的碰撞、扩散、传导、能量转换等都是在以碰撞为主的体系中产生的，在以无碰撞为主的体系中，它们的概念受到挑战。一系列国际科学计划就此展 开[2-4,12-14]。

图3 碰撞体系向无碰撞体系拓展Fig.3 Extension of the knowledge from collision system to collisionless system

空间天气研究“向上看”将迎来里程碑式的发展，主要研究内容包括太阳风源区物理、日冕加热、太阳风加速、能量粒子的加速和传输、太阳大气中过渡区物理等；“向下看”成为学科发展的新热点，把地球的低层大气、中高层大气和磁层作为一个耦合系统来研究，特别是地球天气/气候与空间天气/气候的关系研究。空间天气的科学探索向广度、深度进军，带动新技术发展，例如太阳探针计划将带动新信息技术、新空间平台、新探测技术等航天技术的发展以及新效应的发现，促进新一轮科技革命多元化发展。

目前，空间天气科学的发展仍面临着一系列的挑战[3]，包括：了解日地系统不同区域间的耦合过程，构建空间天气整体变化过程理论框架；了解地球空间系统各圈层间的耦合过程，实现近地空间环境的数字化建模；发展日地系统过渡区物理学，拓展从碰撞到无碰撞的新知识体系；聚焦磁重联、粒子加速、湍流、波-粒相互作用等基本过程，寻求概念、理论与方法上的新突破；构建空天环境科学认知体系，开拓多学科交叉新领域等。由于日地系统5 个物理性质不同的区域的特殊条件，复杂的场、波和粒子多种物质形态、多种时空尺度间的相互耦合作用，地球上无法模拟，传统的经典概念如扩散、传导、能量转换以及相互作用等在无碰撞系统受到挑战。这就要求发展新的科学思想和理论认识，“这些认识不但代表了这个时代的伟大学术成就，而且能为将来利用和探索空间提供背景知识和预报能力”[5]。

2.3 空间天气科学是关系空间安全的“倍增器”

空间安全成为国家安全的战略制高点，在没有空间安全就没有领土、领空和领海安全的今天，“空间天气影响陆地、海上、空中和太空中的所有军事行动”。这是因为航天技术系统易受空间天气影响，从而影响地面军事系统功能的发挥。因此，成功的军事行动取决于有效地把天气信息集成到陆、海、空、天行动之中。空间态势认知是成功发挥空间优势的基础，有效地描述环境影响是空间态势认知的重要环节。西方国家把空间天气看作军力“倍增器”。空间天气科学已成为关系国家空间安全的新兴战略科学。

3 有效和平利用空间

3.1 有效和平利用空间是人类社会发展的重要战 略方向之一

随着1957年人造卫星上天，联合国于1959年成立和平利用外层空间委员会，此后各种政府的、民间的空间组织和团体纷纷加入，受到国际社会高度关注。该委员会现有67 个成员国，中国在 1980年成为正式成员。

中国高度重视和平利用空间。2009年11月发布的《让科技引领中国可持续发展》报告指出：“要大胆探索空间、海洋和地球深部，实施好载人航天计划和嫦娥计划，有效进入并和平利用空间”；2012年6月，中国科学院第16 次院士大会指出：“要加强战略高技术创新，发展空天战略高技术，保证我国有效进出与和平利用空间，实现创新驱动发展，最关键的是要促进科技与经济紧密结合”。有效和平利用空间也是我国高度关注的一个重要的战略发展方向。

通过和平利用空间，可以开拓空间新兴战略经济领域，例如向空间要能源、要通信、要制造、要“高铁”、要环保，等等。它们将为经济社会发展提供巨大增量，有助于把地球家园建设得更美好，保障地球人类的和谐与和平。这直接关系地球人类社会的可持续发展，由和平利用空间衍生的需求如 图4所示。

图4 和平利用空间涵盖领域关系Fig.4 The extensions of the peaceful use of space

3.2 空间天气科学为服务有效和平利用空间做出重要贡献

有效和平利用空间面临诸多科学与工程技术的挑战，仅就空间天气科学而言，仍然面临空间天气认知能力尚在起步的巨大挑战，包括：对空间天气本身的认知远远不足、对空间环境对技术系统的影响缺乏了解，极端条件下的空间天气效应研究有待开展，空间天气的预测与灾害应对能力刚刚起步，空间技术系统的长寿命、高可靠和效益最大化等问题远未解决，和平利用空间的基础科学认知体系还没有建立，科学认知的缺失给技术系统带来不应有的损失时有发生，等等。

构建和平利用空间的科学认知体系，需要了解诸如空间天气对中长期轨道预报精度的影响，对系统设计和飞行的影响，以及超高声速、超高温等未知效应、过程与防护。这方面的深入研究涉及多学科交叉和多技术综合，通过二者前沿结合，有望催生新理论、新概念、新思路、新战略。

通过为和平利用空间系统提供科学认知输入以及突破效益最大化瓶颈等工作，将有效推动和平利用空间的步伐向前迈进。特别是，通过科学前沿创新，解决多学科交叉认知体系、数字化建模平台、集成预报系统、效应与防护、和平利用空间辅助决策系统等问题，预期将对驱动空间技术、空间应用和空间安全等方面的发展，以及提供巨大经济增量做出重要贡献，如图5所示。

图5 科学创新驱动发展架构Fig.5 The framework of the development driven by science innovation

4 我国未来十年展望

4.1 空间天气科学是有基础在未来十年进入国际 先进国家之列的学科之一

过去十年，我国通过地球双星卫星计划的成功实施、子午工程建成[15]，一些亮点研究站上国际科学前沿舞台，一批实验室或团队正逼近国际一流实验室的行列以及牵头推动地基与研究方面的国际计划，等等。

在太阳活动、电离层天气以及空间环境的预报方面，除中国科学院、中国电子科技集团22 所等已有较长期的发展外，国务院2002年批准在中国气象局成立“国家空间天气监测预警中心”，负责空间天气监测、预报和服务，并且已和美国空间天气预报中心一起成为世界气象组织空间天气国际协调组的联合主席单位。该中心形成了系列化的空间天气和空间碎片预报产品，包括定期产品（日报、周报、月报和年报）、不定期产品（现报、警报）和定制专报产品，具有多种预报在线发布能力，同时也为“神七”飞船的航天员出舱等重大航天活动，以及预报通信卫星故障等开展服务。我国空间天气预报业务与服务水平正在逼近国际先进水平。

通过我国科技部、发展与改革委员会、中国科学院、中国气象局和国家自然科学基金委员会等主持实施的一系列计划或工程，我国空间天气科学的能力建设正在得到不断推进。

未来十年，通过加强天、地一体化的空间天气（环境）监测体系建设，提升日地系统空间天气整体变化过程的认知水平，发展各类精细、可靠、实变的空间天气模式，改善空间天气预报业务与服务能力，构建国家空间天气保障体系与服务和平利用空间体系等建设，将实现一系列重大突破，使我国成为有空间天气知识、空间安全保障及和平利用空间能力的国家，进入国际一流国家之列。

4.2 空间天气科学的发展将为人类社会的发展做出越来越大的贡献

一是中国积极与华人科学家一道推动联合国属下机构设立“国际空间天气科学与服务委员会”。组建该委员会的目的是协调全球有关科学家（以及国家和地区）在发展空间天气科学与应用服务领域的努力，更科学、更有效地组织和利用全球的资源为世界各地区和国家有效和平利用空间服务。“此次倡议更是华人科学家责任与贡献的体现，将是华人科学家对世界的又一重大贡献”[16]。

二是中国牵头实施国际空间天气子午圈计划。通过实施该计划，把东半球120°E 和西半球60°W这个子午圈上国家和地区的地基观测力量组织起来开展空间天气研究。这个计划已受到世界范围空间科学家的广泛响应和高度评价。我国政府高度关注，已将其作为国家科技部的国际重大合作项目予以实施推进。

三是由我国空间天气学国家重点实验室、北京天文台、国家空间天气监测预警中心等20 个科研团体联合牵头正在建议和组织实施《国际空间天气预报前沿计划》。该计划主要目标是推进全球预报监测网、全球信息共享网和全球预报会商网的建设，建立起空间天气的全球科学预报体系，更好地服务人类社会发展。相关建议所表达的是中国科学家应尽一份国际责任的担当，也标志着中国科学家走上国际科学前沿舞台，做出越来越大贡献的一种自信！

5 结束语

空间天气科学的发展将对有效和平利用空间，对经济社会、科学技术和国家安全做出重大贡献，为此建议：

1）国家应该加强发展我国空间天气科学的战略布局，制定和实施“国家空间天气十年计划”，这是建设空间强国的时代需要。

2）国家应大力提升空间天气科学服务有效和平利用空间的创新能力和水平，为建设空间强国、提升国家经济增量做贡献，制定和实施“空间天气科学服务和平利用空间国家专项”，这将是落实国家创新驱动发展战略的一项重要举措。

通过相关计划和专项的实施，实现我国空间天气科学跨越式发展，将为服务国家有效和平利用空间、倍增国家空间安全做出重要贡献。

（References）

[1]魏奉思, 于晟.为人类进入空间时代保驾护航的科学[N].科学时报, 2009-03-16(A4)

[2]Office of the Federal Coordinator for Meteorological services and supporting research(OFCM).The National Space Weather Program∶the strategic plan, FCM-P30-1995[R], 1994-10.http∶//www.ofcm.gov/mswp-sp/text/a-cover.htm

[3]Solar and Space Physics Survey Committee, Space Studies Board, Division on Engineering and Physical Sciences, National Research Council.The Sun to the Earth and beyond∶a decadal research strategy in solar and space physics[M].Washington D.C.∶The National Academies Press, 2003

[4]NASA Goddard Space Flight Center.Living with a star∶a program of the NASA[EB/OL].[2000-08-22].http∶// lws.gsfc.nasa.gov/index.html

[5]NASA.Science plan for NASA’s Science Mission Directorate 2007-2016[R/OL].http∶//nasascience.nasa.gov/ about-us/science-trategy/science_plan07.pdf

[6]Office of the Federal Coordinator for Meteorological Services and Supporting Research.The National Space Weather Program∶the strategic plan, FCM-P30-2010[R], 2010-06

[7]Showstack R.White House and Agencies focus on space weather concerns[J].EOS, Transactions American Geophysical Union, 2012, 93(25)∶235-236

[8]Royal Academy of Engineering.Extreme space weather∶impacts on engineered systems and infrastructure, ISBN1-903496-95-0[R/OL], 2013-02.http∶//www.raevg.org.UK/ spaceweather

[9]National Research Council.Severe space weather events∶understanding societal and economic impacts [EB/OL].Washington D.C.∶Committee on the Societal and Economic Impacts of Severe Space Weather Events., 2008.http∶//www.nap.edu/download.php?record_id=12507

[10]Rodger D J, Murphy L M, Dyer C S.Benefits of a European Space Weather Programme, DERA/KIS/ SPACE/TR000349, ESWPS-DER-TN-0001[R].Issue 2.1, 2000-12-19

[11]Lloyd’s 360°Risk Insight.Space weather, its impact on Earth and implication for business[G].London, 2010

[12]National Science and Technology Council, Subcommittee on Disaster Reduction(SDR).Grand challenges for disaster reduction∶space weather implementation plan[R/OL].http∶//www.sdr.gov/docs/185820_Space_Final.pdf

[13]NASA.2006 NASA strategic plan, NP-2006-423- HQ[R/OL], 2006.http∶//www/nasa.gov/pdf/142302main_ 2006_NASA_Strategic_plan.pdf

[14]NASA.Heliophsics∶the solar and space physics of a new era, NP-2009-08-76-MSFC 8-402847[R], 2009

[15]Chi Wang.New chains of space weather monitoring stations in China[J/OL].Space Weather, 2010, 7(3).http∶//www.agu.org/journals/spaceweather

[16]孙爱民.空间天气科学大会华人科学家共同发起倡议∶建议联合国设相关专门组织[N].中国科学报, 2013-11-13(头版)