空間天氣學(xué)的基本問題是什么？

　　當(dāng)今，空間天氣學(xué)正處在一個(gè)世界范圍內(nèi)起步的階段，許多國(guó)家的科學(xué)家和政府部門都十分關(guān)注空間天氣學(xué)的發(fā)展和建立。如何有效地推動(dòng)空間天氣學(xué)的發(fā)展呢？它涉及如下五個(gè)基本問題。

　　1． 空間天氣監(jiān)測(cè)

　　建立空間天氣的地面、空間的全球監(jiān)測(cè)網(wǎng)是建立和發(fā)展空間天氣學(xué)的基石。它為空間天氣變化的規(guī)律研究、模式與預(yù)測(cè)、效應(yīng)分析、防護(hù)措施、地面與空間技術(shù)系統(tǒng)的運(yùn)作，以及人類活動(dòng)決策等提供觀測(cè)依據(jù)。

　　空間天氣的監(jiān)測(cè)涉及與地球常規(guī)天氣十分不同的一些顯著特點(diǎn)，例如：監(jiān)測(cè)的空間范圍很大。從地面2-30公里以上直至太陽(yáng)，它涉及物理性質(zhì)和結(jié)構(gòu)很不相同的空間區(qū)域，這是迄今為止人類能直接探測(cè)的一個(gè)天體系統(tǒng)；監(jiān)測(cè)的對(duì)象和參數(shù)多。主要包括太陽(yáng)、多波段電磁輻射、太陽(yáng)物質(zhì)拋射事件和太陽(yáng)帶電粒子事件、行星際太陽(yáng)風(fēng)暴、磁層亞暴和磁暴、電子通量增強(qiáng)事件、粒子沉降、輻射帶變化、電離層擾動(dòng)和閃爍、中高層大氣密度和溫度、風(fēng)速和成分等的擾動(dòng)以及空間電狀態(tài)改變等等；監(jiān)測(cè)現(xiàn)象的空間、時(shí)間尺度的變化范圍大。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(shí)、幾天到11年太陽(yáng)活動(dòng)周變化；監(jiān)測(cè)現(xiàn)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(duì)高空大氣的成分、狀態(tài)的影響。空間天氣的全球性，如存在隨地球的磁經(jīng)、磁緯度的全球分布與變化；監(jiān)測(cè)現(xiàn)象的相關(guān)性強(qiáng)。太陽(yáng)日冕物質(zhì)拋射、行星際風(fēng)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(qiáng)的時(shí)序因果間的相關(guān)性。它們是一個(gè)空間天氣事件在不同空間區(qū)域、不同時(shí)間過程的具體表現(xiàn)。

　　空間天氣現(xiàn)象的這些特點(diǎn)，使空間天氣的監(jiān)測(cè)具有極大的挑戰(zhàn)性，不僅應(yīng)當(dāng)不斷完善和建立地面和空間的全球監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，而且要盡可能到太陽(yáng)附近去觀測(cè)，才識(shí)廬山真面目。

　　目前國(guó)際上這種監(jiān)測(cè)網(wǎng)絡(luò)已初具規(guī)模，而我國(guó)空間天氣的監(jiān)測(cè)卻是相對(duì)薄弱的。從整體上講距離建設(shè)一個(gè)監(jiān)測(cè)手段先進(jìn)、綜合性強(qiáng)與國(guó)際接軌的立體監(jiān)測(cè)網(wǎng)絡(luò)尚有較大距離。

　　2． 空間天氣變化規(guī)律的研究

　　了解變化難測(cè)的空間天氣變化規(guī)律是技術(shù)系統(tǒng)設(shè)計(jì)、人類活動(dòng)決策和預(yù)測(cè)空間天氣事件發(fā)生的基礎(chǔ)。

　　空間天氣變化規(guī)律研究是當(dāng)代自然科學(xué)極具挑戰(zhàn)性的重大前沿課題之一，它研究富于變幻的太陽(yáng)活動(dòng)的能量、動(dòng)量和質(zhì)量的產(chǎn)生，在行星際介質(zhì)中的傳輸和與地球空間系統(tǒng)的相互作用過程。涉及地面實(shí)驗(yàn)室無法模擬的特殊環(huán)境：高溫、高電導(dǎo)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(yáng)耀斑、日珥、物質(zhì)拋射、激波傳播、磁場(chǎng)重聯(lián)、電離與復(fù)合、電離成分與中性成分的動(dòng)力耦合、重力波、行星波、上下層間的動(dòng)力耦合等等。這些都是十分重要的基本科學(xué)問題。就了解一次空間災(zāi)害性天氣事件而言，就需要把來自不同空間區(qū)域的擾動(dòng)暴發(fā)現(xiàn)象，整合成統(tǒng)一的有因果時(shí)序關(guān)系的“畫面”，進(jìn)行多學(xué)科綜合研究；電離層和中層大氣的研究都先后獲得過諾貝爾獎(jiǎng)。

　　從美國(guó)空間天氣計(jì)劃看，空間天氣研究領(lǐng)域可分為：（1）太陽(yáng)/太陽(yáng)風(fēng)；（2）磁層；（3）電離層/熱層系統(tǒng)。研究的重點(diǎn)是放在對(duì)預(yù)報(bào)空間天氣變化起關(guān)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(yáng)風(fēng)暴的形成、傳播與演化；二是它吹過地球時(shí)所引起的空間環(huán)境的變化。我國(guó)日地物理學(xué)家們?cè)谶@些課題的研究方面已有一定的基礎(chǔ)，急待列入國(guó)家層次的發(fā)展計(jì)劃，才能提高整體的國(guó)際競(jìng)爭(zhēng)能力。

　　3． 空間天氣預(yù)報(bào)

　　空間天氣預(yù)報(bào)的準(zhǔn)確性、可靠性和及時(shí)性直接關(guān)系到減少或避免空間災(zāi)害給人類活動(dòng)帶來巨大損失和危害的問題。

　　它的預(yù)報(bào)水平主要取決于觀測(cè)能力和對(duì)空間天氣變化規(guī)律認(rèn)識(shí)的水平。建立不同空間區(qū)域、不同參數(shù)和空間天氣事件的因果鏈研究模式是空間天氣預(yù)報(bào)的基礎(chǔ)，而將這些研究模式轉(zhuǎn)化為預(yù)報(bào)員使用的運(yùn)作模式（Operational models）是關(guān)鍵。當(dāng)前需要研制和完善的空間天氣模式主要涉及：日冕物質(zhì)拋射模式、太陽(yáng)耀斑模式、太陽(yáng)紫外、極紫外和軟X射線模式、太陽(yáng)風(fēng)模式、磁層粒子和場(chǎng)模式、地磁擾動(dòng)模式、輻射帶模式、極光模式、電離層背景、擾動(dòng)、電場(chǎng)和閃爍中性大氣模式（熱層和中層）等等。

　　美國(guó)目前的預(yù)報(bào)水平和能力是這樣：警報(bào)——空間災(zāi)害發(fā)生在24小時(shí)內(nèi)，對(duì)太陽(yáng)、行星際的預(yù)報(bào)能力非常有限，而對(duì)地球空間系統(tǒng)尚無能力滿足需求；現(xiàn)報(bào)——給出當(dāng)時(shí)的空間天氣條件以及推演到觀測(cè)條件發(fā)生新變化前的一個(gè)短暫的天氣條件，對(duì)整個(gè)日地空間環(huán)境來說，這種能力都非常有限；預(yù)報(bào)——短期預(yù)報(bào)（幾小時(shí)到幾天）、中期預(yù)報(bào)（提前幾個(gè)月）和長(zhǎng)期預(yù)報(bào)（長(zhǎng)達(dá)11年太陽(yáng)活動(dòng)周期），對(duì)太陽(yáng)、行星際和中性大氣其能力非常有限，對(duì)磁層和電離層更是無力滿足； 我國(guó)在太陽(yáng)活動(dòng)、地磁暴和電離層預(yù)報(bào)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(yù)報(bào)對(duì)西方國(guó)家的觀測(cè)和預(yù)報(bào)有太多的依賴性，這是十分危險(xiǎn)的事。

　　4．空間天氣服務(wù)

　　空間天氣學(xué)要為人類的高科技活動(dòng)“保駕護(hù)航”，開展空間天氣服務(wù)，減輕或避免空間災(zāi)害的損失與危害是它的終極目的。

　　空間天氣服務(wù)包括：提供空間天氣產(chǎn)品——常規(guī)產(chǎn)品：觀測(cè)數(shù)據(jù)、模式、環(huán)境規(guī)范；效應(yīng)分析；專項(xiàng)產(chǎn)品——根據(jù)用戶的特定需要而進(jìn)行特別加工的產(chǎn)品；預(yù)報(bào)產(chǎn)品、警報(bào)、現(xiàn)報(bào)、預(yù)報(bào)；效應(yīng)診斷與分析——鑒別系統(tǒng)異常或失效是否由空間天氣因素或其他工程設(shè)計(jì)、機(jī)械故障或軟件錯(cuò)誤引起；建議防護(hù)措施或改進(jìn)工程設(shè)計(jì)；調(diào)整地面與空間技術(shù)系統(tǒng)的運(yùn)作程序和采取應(yīng)變措施；教育與培養(yǎng)——增強(qiáng)公眾（包括政府官員和新聞媒介）對(duì)空間天氣及其影響的意識(shí)；培養(yǎng)足夠數(shù)量的高素質(zhì)科學(xué)與工程人員。

　　從我國(guó)的國(guó)情看，空間天氣服務(wù)遠(yuǎn)遠(yuǎn)落后于西方發(fā)達(dá)國(guó)家，除了全民的科技水平落后這一重要原因外，我國(guó)現(xiàn)行的管理體制，部門所有制等，導(dǎo)致缺乏宏觀調(diào)控和強(qiáng)有力的國(guó)家計(jì)劃指導(dǎo)也是重要因素。因此，要作好空間天氣服務(wù)，當(dāng)務(wù)之急是需要空間天氣有關(guān)各方：科學(xué)、教育、工程、用戶和政府等，建立有效的協(xié)調(diào)工作體系，成為一種國(guó)家指導(dǎo)下的行為，方能事半功倍。

　　5、空間天氣的技術(shù)支撐系統(tǒng)

　　空間天氣信息的處理與傳輸系統(tǒng)是實(shí)現(xiàn)空間天氣學(xué)、為發(fā)展高科技“保駕護(hù)航”、發(fā)揮重要科學(xué)、經(jīng)濟(jì)與社會(huì)效益的重要技術(shù)支撐系統(tǒng)。它的水平如何，直接關(guān)系到空間天氣學(xué)的發(fā)展速度和水平。

　　空間天氣信息包括來自全球的地面和空間的觀測(cè)數(shù)據(jù)、研究模式、用戶需用的天氣新產(chǎn)品（包括各類圖形和動(dòng)態(tài)圖像等）、空間天氣對(duì)人類活動(dòng)的影響，包括對(duì)技術(shù)系統(tǒng)的效應(yīng)損傷與防護(hù)，用戶咨詢和訪問等等。這些龐大的種類多樣、復(fù)雜信息的實(shí)時(shí)采集、加工、處理和分析、實(shí)時(shí)運(yùn)行復(fù)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(chǎn)品、新數(shù)據(jù)的獲取和模式的更新等，以及建立相應(yīng)的數(shù)據(jù)庫(kù)和專家系統(tǒng)等。需要建立強(qiáng)有力的高性能的計(jì)算機(jī)系統(tǒng)和進(jìn)行信息傳輸?shù)木W(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)，以及不斷升級(jí)硬件和軟件來滿足不斷增長(zhǎng)的需要。它們對(duì)于發(fā)展和建立空間天氣學(xué)來都是十分重要的技術(shù)支撐系統(tǒng)，它是先進(jìn)與落后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(fā)展空間天氣學(xué)的上述五方面問題，我國(guó)的空間天氣學(xué)必將在不長(zhǎng)的時(shí)期內(nèi)（5-10年）走到國(guó)際的前列去，為中國(guó)和人類進(jìn)入高科技的21世紀(jì)做出重要貢獻(xiàn)！（魏奉思 中國(guó)科學(xué)院院士）