迈向太空 空间天气学

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1、迈向太空——空间天气学吕建永杨亚芬赵明现1.引言到底是什么，因为当时还没有建立及地磁活动性密切相关。极光虽然在浩瀚的星空，高纬度区域磁场和电流的理论体系。美丽，但是强烈极光伴同亚暴和磁（如欧洲的挪威、瑞典，美国的阿20世纪物理学的飞速发展为暴对地面技术系统和航天器均有不拉斯加和加拿大）经常可以看到一人类对极光的认识提供了全面的基良影响。现在，我们把空间环境中种眩目的发光现象——北极光（图础。例如，激光射线的解释离不开能够影响人类技术活动的那些领域1）。绚丽的极光在夜空中起舞，原子物理和量子力学的出现。随着称为“空间天气”

2、，这里涉及的技这些缎带般波动的美丽光线包括了人们将极光与太阳扰动联系起来，术系统分布于从地面到太阳系外层从绿色到红色，从粉色到紫色的多以及查普曼和费拉罗磁暴理论的出的广阔空间里。种色彩。早期，欧洲的爱斯基摩人现，极光不再被披上传说中的神秘空间天气学就是研究地表将北极光与死亡联系在一起，美洲光环，人们逐渐认识到，太阳不断20～30km以上的近地空间至太的印第安人传说它与战争有关，而地向行星际空间“吹”带电粒子，阳大气的日地空间环境中有关电我们的祖先把它看作恶劣天气降这些带电粒子与地球磁场相互作用磁、粒子和大气等状态的变化规

3、律，临的象征。实际上，极光是人类肉后会产生沿磁力线的平行电场。带减轻或防止空间灾害，为人类活眼能直接看到的空间天气现象，电粒子在这一电场的作用下被加速动服务的学科。它涉及太阳以及太现在使用的这一科学词汇（aurora并沿着磁力线运动直至地球大气，阳风、磁层、电离层和热层中的条borealis）由伽利略1619年引入，与大气中的分子或原子相撞导致电件，这些条件可以影响天基和地基但应该说这个天才根本不知道极光子跃迁发光。就是说极光与太阳以技术系统的正常运行和可靠性，进而危及人类的生命或健康。一次完整的空间天气事件通常具有从太

4、阳表面形成与发展，然后在行星际空间传播和演化，最后在地球磁层、电离层和中高层大气产生影响和效应的一般规律（图2）。空间天气学是一门把日地物理科学与地面和空间技术的应用紧密结合在一起的学科，是一门多学科多技术领域高度交叉综合的新学科。2.空间天气学发展史在“空间天气”一词出现以前，研究太阳与地球之间的空间中自然现象及其内在规律的学科叫做“日地空间物理学”，或称“空间图1地面观测到的空间天气现象——北极光物理学”。如前所述，人类注意到25卷第5期(总149期)•21•图2空间天气学的研究区域示意图空间天气造成的极光已经有几个

5、世到通讯有时会极端平静，有时噪声ExplorerI卫星发现了范艾伦带，纪了。此外，1600年，英国科学严重。1942年，一个大太阳事件即辐射粒子被地球磁场束缚的区家吉尔伯特在DeMagnete一书中期间雷达受到的严重干扰导致了太域。1959年和1961年，苏联Luna曾经描述到，中世纪欧洲航海家曾阳射电爆的发现。1和美国Mariner2卫星分别直接用天然磁石作磁罗盘导航仪，发但20世纪40年代的空间环观察到了太阳风。随着军事和商业现石头的方向有时候会偏离磁北境研究只是电离层探测研究，是美系统对空间天气影响的依赖性增极。1

6、840年记录到空间天气第一国军方为解决二战中发生的通信、强，人们对空间天气越来越感兴次在不同地区不同时段影响到电报导航等问题而开始的。随着人造地趣。通信卫星是全球贸易的重要组业务。1859年的巨烈的太阳风暴球卫星、洲际弹道导弹、宇宙飞成部分，气象卫星系统提供地面天中断了全球的电报业务。英国天文船、空间站发射升空等空间活动的气信息，全球定位系统的卫星信号学家卡林顿（RichardCarrington）不断增加，空间环境的探测范围广泛用于各种各样的商业产品和过把这次中断与一天前观测到的太阳逐步从电离层、中高层大气，扩大程。空

7、间天气现象会干扰这些卫星耀斑以及与电报中断同时发生的地到了磁层，乃至整个日地空间。的无线电上行和下行信号，甚至损磁场大偏转（磁暴）联系起来。1957～1958年的国际地球物理年坏卫星。空间天气现象会在长距离后来，挪威学者伯克兰（Kristian（IGY）大大促进了空间天气研究。输电线路中产生有损害作用的浪涌Birkeland）通过在实验室人工制造IGY期间获得的地基数据表明，极电流，也会使飞机上的乘客和机组极光解释了极光的物理过程，并推光发生在距离磁极15～25纬度，人员暴露在辐射之中。测出太阳风的存在。随着无线电在宽5

8、～20度的极光椭圆带上，是这些认识吸引了学术界对空商业和军事领域的应用，人们注意一个永久的发光区域。1958年，间天气的广泛关注，“空间天气”•22•现代物理知识一词在20世纪90年代开始密集出动正变得越来越脆弱，特别是对那风持续几小时会引起磁层最大的扰现，美国的科学家率先系统地将日些由太阳爆发引起的事件。恶劣空动现