新兴的交 叉科学 空间天气学
焦维新（北京大掌地球与空Ｉ司科学学院） 口口通过长期的实践和研究，人们越来越深刻地认识到，太阳活动变化对空间的天气影响巨大，并经常对人类
社会尤其是运行中的航天器造成威胁。所以，目前对空间天气的研究正日益受到重视。ｋＬ２０１（１年起，太阳活动
进入第２４个峰年，因此在２０１０－２０１４＃－期间，是探测和研究太阳高能粒子事件、日冕物质抛射和太阳风，及它
们对空间环境影响的最佳时期。我国也很重视对空间天气预报的研究。２０１０年７月２７日一８月２日，中国地球物
理学会空间天气学委员会在上海召开了第七次全国空间天气学研讨会。此次学术研讨会的规模是历次会议最大
的，与会代表２４（）多人，共提交论文近２００篇，这反映出我国空间天气学事业正呈现蓬勃发展的局面。
１什么是空间天气
日常所讲的天气是指发生在对流层内、影响人
类生活、生产的中性大气物理图像和物理状态，例如
阴、晴、雨、雪、冷、暖、干和湿等。 对流层是大气紧贴地面的一层。它的下界是地
面。上界因纬度和季节而不同。在低纬度地区其上
界为１ ７—１ ８ｋｍ；在中纬度地区为１０—１２ｋｍ；在高
纬度地区仅为８～９ｋｍ。夏季的对流层厚度大于冬
季的。 对流层顶以上的大气处于什么样的状态，是否
会影响人类的生存和发展？随着空间技术的发展，人
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２０１Ｏ．１２ ▲一次大的日冕物质抛射
类对从对流层顶一直到太阳大气表面这一广阔空间区
域的物理状态有了深入的了船。这一区域既含有中性
气体，又有电离气体和高能带电粒子；既存在稳定的
重力场，又有以各种时间尺度变化的电磁场。在大
约６０ｋｍ以上，中性大气密度和温度、电离气体的电
子密度等参数对太阳变化的响应极为敏感，幅度变化
大。这些参数迅速而大幅度的变化还能进一步衍生许
多效应，对地面和空间的技术系统产生明显的影响，
甚至使之失效。因此，人们需要像关心日常天气那样
关心对流层以上的环境状态。这样，天气概念所涉及
的空间范围自然要扩展。空间天气的概念就是在这一
背景下产生的。
空间天气是一个比较新的概念，它的内容和含
义仍在发展中，最普遍的一种理解是：空间天气是指
瞬时或短时间内太阳表面、太阳风、磁层、电离层和
热层的状态。它们的状态可影响空间和地面技术系统 的性能和可靠性，危及人类的生命和健康。恶劣的空
间天气可引起卫星运行、通信、导航以及电站输送网
络的崩溃，造成各方面的社会经济损失。
上述空间天气定义强调了其消极的一面。实际
上，与日常所说的天气一样，空间天气也有好、差和
恶劣之分。所谓好的空间天气是指太阳表面、行星际
空间、磁层、电离层和高层大气处于平静的状态，有
利于运载火箭发射和卫星正常运行；所谓差的天气是
指上述区域具有不同程度的扰动；而恶劣的空间天气 就是各种空间暴，如强的日冕物质抛射、大耀斑、高
速太阳风、磁暴、亚暴和电离层突然骚扰等。研究空
间天气最重要的社会和经济方面效益，在于通过有效 的警报和预报以及合理的系统设计，可避免或减轻恶
劣空间天气造成的不良后果。 历史上，第一个有记载的空间天气损害技术系
统的事件发生在１８４７年３月１９日，那天在英格兰观察
到电报装置上的指针自发地偏转。第一个有记载的磁
暴影响电力系统的事件发生在１９４０年３月２４日，美国
和加拿大的电力系统在磁暴期间受到很大影响。这些
相关事件是空间天气效应的早期实例。
人类进入空间时代以后，对各种空间天气现象
开始进行直接观测，因而对太阳表面的扰动、这些
扰动在行星际空间的演变及其对地球空间的一系列
效应，都有了更深入的了解。然而， “空间天气”
一词在过去很长一段时间内都没有被公众所了解，
一方面是由于当时空间技术主要用于军事，另一方
面是由于空间技术在最近２０年才普遍地进入老百姓
的日常生活。具有广阔基础的国家空间天气服务的
概念是由代表美国的国家基金委、国防部、航空航
天局、内务部、能源部及海洋与大气管理局的一个
小组于１９９４年提出的。在此之前，包括中国在内的
许多国家的有关研究部门在提供空间天气信息方面
已做了大量工作，但这些工作没有组织到一个协调
一致的计划里。
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１５ ２典型的空间天气效应
空间天气与人类的生存和发展有密切的关系。
随着社会的进步，人类越来越依靠高科技系统，特别
是航天系统。为了保证这些系统的正常运行，我们比
以往更加注意空间天气的状态和预报，因为空间天气
事件常常对这些系统产生严重的影响。 描述空间天气状态变化的程度，对于不同的领域
都有相应的物理参数。例如，描述地磁场变化的有Ｋｐ
指数、ＡＥ指数、Ｄｓｆ指数等。但概括说来，空问天气 状态变化可分为周期性变化和非周期性变化、平静变
化和激烈变化。我们将空间天气状态在短时间（几分
钟到几天）内远远偏离正常值的现象称为空间暴。从
空间天气预报的角度来说，空间暴是指所有粒子和电
磁场的强烈扰动，它们起因于太阳耀斑、日冕物质抛
射、高速太阳风、磁层和电离层不稳定性。空间暴对
地面和空间技术系统、航天安全、生产活动和生态环
境有很大影响，因而它是空间天气预报的重点内容。
磁暴及其对输电系统的破坏作用
太阳爆发时，高速太阳风等离子体流与磁层相互
作用，使环电流及极光电集流强度大增，引起地磁场 的强烈扰动——磁暴和 亚暴。地磁场的剧烈变
化在地表面感应出的电
位差称为地球表面电位
（ＥＳＰ），这个电位差 可达２０Ｖ／ｋｍ。地球表面电位作为一个电压源加到电力
系统Ｙ型联接的接地中线之间时会产生地磁感应电流
（ＧＩＣ）。与５０Ｈｚ交流电相比，地磁感应电流可看作是
直流。这个直流电流作为变压器的偏置电流，能使变压
器产生所谓“半波饱和”，严重的半波饱和会产生很大
的热量，使变压器受损甚至烧毁。近年来最引人注目的
磁暴损坏输电系统的事件发生在１９８９年３月，当时一个
强磁暴使加拿大魁北克的一个巨大电力系统损坏，６００万
居民停电达９ｈ，仅电力损失就达２ Ｘ １０ ｋＷ，直接经济损
失约５亿美元。在这次事件中，美国的损失虽小，但亦达
２５００万美元。据美国科学家估计，此事件若发生在美国
东北部，直接经济损失可达３０亿一６０亿美元。
高能带电粒子的效应
高能带电粒子主要包括高能电子、质子和重离
子，源于太阳的各种爆发性活动，在行星际空间传播 过程中以及进入地球磁层后，在多种物理机制的作用
下会进一步加速（增能）。高能电子能穿透卫星的表
面，沉积在卫星内部电子部件的电介质中，可引起卫
星内部充电。当电荷积累达到一定的数量时，会产生
静电放电，这种放电过程轻则会干扰卫星正常工作， 重则会使电子部件损坏，甚至导致卫星完全失效。高
能质子和重离子可引起电子信号电位翻转，在卫星中
产生伪指令或在仪器中产生错误数据，这些伪指令会
使卫星逻辑控制系统发生错误，严重时可导致灾难性
后果。高能电子使卫星出现故障的例子很多。例如，
１ ９９４年１月，一个高能电子暴使加拿大“阿尼克”
（Ａｎｉｋ）通信卫星失控，不得不启用备份系统，６个 月以后才完全恢复工作，结果损失达２－￣Ｚ，美元。
太阳爆发产生的高能粒子辐射也会危及航天
员的生命安全。在太阳耀斑期间，空间粒子辐射通
量可达到正常情况的上百倍。在美国阿特兰蒂斯号
（Ａｔｌａｎｔｉｓ）航天飞机发射“伽利略”（Ｇａｌｉｌｅｏ）木
星探测器期间，航天员眼睛能感觉到高能粒子轰击所
引起的闪光现象，这是由于高能粒子穿过视网神经造
成的，直到质子事件过去，这种情况才减退。如果这
期间航天员在舱外活动，他将受到致命的辐射剂量。 航天器在太阳爆发期间受影响的程度取决于其
空间位置。如果航天器在此期间处于辐射带中，那么
受影响的程度可能比较严重。
低轨道卫星的“危险区”是在南大西洋异常区。
在那里，同一高度的粒子辐射通量比其他地区大得多，
因此，卫星通过此区域时，发生的异常事件非常多。
空间等离子体对卫星的效应
空间等离子体可以使人造地球卫星表面带电，
特别是在磁暴、亚暴和高地磁活动性期间情况更为严
重，卫星表面电位可达几万伏，卫星各个部件之间可
能有很高的电位差。大的电位差可使电子器件被击穿 而造成永久性损坏。
高层大气密度变化对卫星轨道和寿命的影晌
美国哥伦比亚号（Ｃｏｌｏｍｂｉａ）航天飞机第一次 飞行时，由于太阳爆发，造成高层大气密度大幅度
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１７ 航天飞机遇到的阻力比以前增加１ ５％，幸亏
足的燃料，采取了应急措施，才避免了机毁人
故。美国发射的“天空实验室”（Ｓｋｙｌａｂ）
，由于没有充分估计到临近太阳活动峰年，
力增加，以致提前２年坠毁。美国“太阳峰 ０．５ｋｍ，整个磁暴期间下降了４．８ｋｍ。最终提１
落。美国空军和海军长期以来一直监视空间的１：
个目标。由于粒子沉降，高纬电离层加热增加，ｊ
目标受到的拽力发生了变化，在经历了近年来几一
磁暴以后，不少目标由于轨道参数发生显著变化ｉ
失。高层大气密度分布表明，在中等磁暴期间，一
区域的大气密度增加了２０％以上。
电离层扰动对无线电通信及导航系统的干扰和
当强烈的太阳耀斑发生时，×射线和紫外谱ｌ 辐射强度在短时间内大大增加，Ｘ射线甚至会增，
几个数量级。从太阳耀斑开始发生，大约８ｍｉｎ：
其射线可到达地球轨道，使电离层Ｄ层内电子密
增，短波无线电信号受到衰减，乃至通信中断。
电离层扰动严重影响通信的例子屡见不鲜。
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