空间天气威胁，各国如何应对

文/ 小超

▲ 帕克太阳探测器发射

人类很早就注意到了太阳上的黑子、地球上的极光这些与空间天气有关的显著自然现象。在中国古代的天文记录和地方志中，就有不少关于太阳黑子和极光的记载。在西方世界，印第安人将极光视为天空中舞动的精灵，而中世纪的欧洲人则认为极光是来自神的标志。到了近代，天文学家和地球物理学家们开始对这些现象背后的成因与联系进行探究。而在航天时代开始后，人们才逐步搞清了太阳活动现象以及从太阳到地球的整个因果链概貌，并开始关注这些现象对人类技术系统与社会运行的影响，形成了空间天气学这门学科。近年来，国际上的主要大国都加强了多空间天气基础研究与业务预报的投入，力争更好的应对恶劣空间天气事件的潜在威胁。

空间天气学科的产生

▲ STEREO卫星能从不同角度对太阳进行观测

1859年，英国天文学家卡灵顿见证了一次巨大的耀斑现象的发生，太阳上一个区域突然增加的光芒烧毁了他用来投影观测太阳的底板。从我们今天的认识来看，卡灵顿目睹的是能够通过肉眼识别出来的“白光耀斑”，属于耀斑家族中威力最大的一种。当时，英国皇家学会刚刚安装了能够自动测量记录地球磁场变化的仪器。英国地球物理学家鲍尔弗·斯特沃特（Balfour Stewart）通过分析地磁数据，将地球磁场的变化和卡灵顿观测到的太阳耀斑联系了起来，开创了日地物理研究的先河。在此之前，天文学家和地球物理学家只关心太阳和地球本身的变化，而在这次被称为“卡灵顿事件”的太阳风暴过程中，科学家们开始在太阳活动和地球空间环境的变化间建立联系。

根据目前科学家们的研究成果，造成地球磁场发生剧烈变化的是太阳上爆发后传播到地球附近的日冕物质抛射。日冕物质抛射和太阳耀斑是经常伴随出现的现象，有时被共同称为“太阳风暴”，但这两者并不相同。在1859年的那次事件中，地球上的电报操作员们感受到了这些现象对他们的影响，来自天空的神秘电流使得电报线路无需外接电源就能供电。但在当时，对于太阳爆发与人类活动之间的关系与影响，多是偶然的、猎奇式的记录。

在1957 年苏联发射第一颗人造卫星、开启太空时代后，人们通过航天器进行的遥感与局地观测，对太阳活动与地球空间环境间的联系开始有了比较系统正确的认识。同时，对太空的开发利用也对空间环境研究提出了现实的需求：航天器能在太空中连续稳定工作、航天员能在太空中安全健康生存，都需要对空间环境变化的规律有深入认识。在探测手段和应用需求的互相促进之间， “空间天气”这一概念在上世纪七八十年代被正式提出。空间天气，指“太阳大气、行星际空间、地球磁层、电离层和热层中，可能对天基和地基技术系统产生危害，进而影响人类生存和健康的状态。”到上世纪九十年代，空间天气的重要性开始在国际上得到认同，各个国家开始提出实施各自的空间天气研究计划。

▲ 尤利西斯探测器对不同纬度太阳风的观测

美国的空间天气研究与预报

作为航天领域的领头羊，美国对空间天气现象的基础研究和空间天气的业务预报开展得较早，目前处于领先地位。作为空间天气探测的基本手段，美国牵头研发了SOHO、ACE、WIND、STEREO、SDO等空间探测器。这些探测器极大地推进了我们对太阳活动及其对地球影响的认识，也形成了我们监视与预报空间天气现象的基本能力。SOHO和ACE卫星于上世纪九十年代中叶被部署到日地L1点，能够分别通过遥感与局地探测的方式对太阳风暴作出观测。这两个卫星的观测数据奠定了我们对目前对空间天气全景的认识，理清了耀斑与日冕物质抛射的关系。而进入新世纪后发射的STEREO与SDO探测器，则进一步增进了我们对太阳风暴产生与传播的认识。而去年刚刚升空、正在逐步调整轨道的帕克太阳探测器，则有望揭开日冕加热和太阳风加速原理之谜，为准确进行空间天气预报提供至关重要的理论基础。

▲ 美国空军557联队空间天气预报部门

▲美国空间天气预报中心

▲欧洲空间天气协调中心

美国在1995年就出台了第一个空间天气十年行动计划，并在进入21世纪后牵头开展了“与星同在”国际合作计划。近年来，美国又制定了多项政府层面的顶层设计文件：2015年，美国出台了《国家空间天气战略》和《国家空间天气行动计划》；2016年由奥巴马总统签署了《协调努力为国家做好空间天气事件的准备》的总统行政命令；今年3月，特朗普政府又出台了新版的《国家空间天气行动计划》。这些政府文件与科学家们倡导的研究计划既相互配合，又存在差异。科学家们的研究计划是以解决科学问题、获得科学发现为导向，通过总结科学目标提出进一步研究的方向，主要由大学或科研机构中的科学家们完成。而政府部门的有关计划则是以提升形成应对空间天气事件的实际能力为导向，通过总结行动重点为政府各个部门制定行动纲领，将科学家门已经和将要获得的科学认识转化为方案、措施与防灾减灾的基础设施，需要由政府官员、空间天气科学家和有关系统的科技人员共同完成。

目前，美国对于空间天气的基础研究力量遍布斯坦福大学、乔治·梅森大学、密歇根大学、阿拉巴马大学等知名学府。NASA所属的戈达德飞行中心、喷气动力实验室，以及美军的空军实验室、海军实验室等，也有相关的研究力量。日常的民用空间天气监测与预报业务，主要由美国国家大气海洋管理局（NOAA）下属的空间天气预报中心（SWPC）进行。而军队的空间天气业务，则主要由奥法特空军基地的557联队负责。此外，还有一些跨机构的研究组织，能够协调军方、民间的研究力量共同对有关问题进行攻关，获得军民融合共享的研究成果。

欧洲的空间天气研究与监测

由欧洲国家组成的欧空局在空间天气研究方面也有不少作为。上世纪90年代，欧空局曾经深度参与到了SOHO探测器的研制中，负责重要科学仪器的设计与制造。同时，由欧空局牵头研发的尤利西斯探测器，飞出了地球公转的黄道面，带来了行星际空间在不同纬度的太阳风结构信息。太阳活动存在一个11年的周期，在这11年中，太阳黑子的数量会经历一个先增加、后减少的过程。太阳黑子是太阳强磁场集中的区域，黑子数量的变化会使太阳磁场的整体结构发生变化，进而影响与它共生共存的太阳风的结构。在“尤利西斯”工作近二十年所获得的三个完整的环日轨道的数据中，有两轨处于太阳活动较弱的时期，一轨处于太阳活动较强的时期，从而使科学家们在对比分析中获得了不同太阳活动条件下太阳风特点的认识，为更好地做出空间天气预报打下了基础。

目前，欧空局通过“太空态势感知”项目中的空间天气部分，为欧洲各国提供空间天气的监测与预警服务，其工作实体为设在比利时的空间天气协调中心。这个中心的主要任务是利用欧空局及其国际合作方丰富的空间天气探测数据，为欧洲用户提供空间天气服务。此外，欧洲各国自己的气象机构也开始了空间天气预报服务。例如，英国气象局就利用几种数值模式开展空间天气预报服务。总部位于英国的劳伊德保险公司，在2010年发布了空间天气的风险报告，从保险业的角度对空间天气的潜在威胁做了评估，开创了商业保险公司关注空间天气的先河。

除了美国、欧洲外，日本、韩国、巴西等国家也开展了空间天气方面的研究与预报活动。此外，国际上还发起了“国际空间天气计划协调组”（ICTSW）、“国际空间天气监测计划”（ISWI）等机构，协调全世界与空间天气相关的研究、预报和数据交换工作。恶劣的空间天气影响的是整个地球空间，因此应对空间天气所带来的潜在危害也并非某一国或某一地区组织的事，需要全世界各个国家的通力合作。