空間天氣:近地空間環境變化的概念-中文百科頻道

全新概念

傳統“天氣”的物理定義是：瞬時或較短時間内風、雲、降水、溫度、氣壓等氣象要素綜合顯示的大氣狀态。日常所講的天氣，是指發生在對流層内、影響人類生活、生産的中性大氣物理圖象和物理狀态，例如陰、晴、雨、雪、冷、暖、幹、濕等。

空間天氣是一個近地空間環境變化的概念。它與行星大氣層内的天氣截然不同，涉及空間等離子、磁場和輻射等現象。“空間天氣”通常與近地空間磁層緊密相連，但其也研究行星際空間的變化。在我們的太陽系内，空間天氣主要受太陽風的風速和密度、以及太陽等離子體帶來的行星際磁場三者的影響。各種各樣的物理現象都與空間天氣相關，包括地磁風暴和亞暴，在範艾倫輻射帶的電流，電離層擾動和閃爍，極光和在地球表面的磁場變化誘導的電流等。

日冕物質抛射及相關沖擊波，也是空間天氣的重要動力，因為它們可以壓縮的磁層和觸發地磁風暴。太陽高能粒子，日冕物質抛射或由太陽耀斑加速，也是對空間天氣的重要驅動力，因為它們可以破壞航天器電子設備，并威脅到宇航員的生命。空間天氣對空間探索和發展這些領域産生深遠的影響。地磁的變化可引起大氣密度的變化導緻低地球軌道航天器的高度迅速降低。由于太陽活動引起的地磁風暴能夠緻盲航天器上的傳感器并幹擾機載電子設備。對于人造航天器的防護系統的設計來說了解空間環境至關重要。磁暴同樣會增加高空飛行情況下飛機乘務員的輻射量。

空間天氣是指近地空間或從太陽大氣到地球大氣的空間環境狀态的變化。與地球行星大氣（對流層和平流層）中天氣的概念不同，空間天氣描述的是空間中背景等離子體、磁場、輻射等的變化。大多數空間天氣事件是由源于太陽近表面和太陽大氣（色球和日面）的太陽風所攜帶的能量驅動的。空間天氣有時候也指行星際空間（極少數情況下指星際空間）的環境狀态變化。

空間天氣有兩個重點：科學研究和應用。空間天氣這個術語直到20世紀90年代才開始使用，在此之前，當前意義上的空間天氣活動被認為是物理或高層大氣物理學和空間探索的一部分。

影響因素

相對于地面天氣而言，空間天氣發生在距離地面30公裡以上。空間天氣涉及的物理參數與大氣天氣有很大不同。太陽每時每刻往外噴射着高速帶電粒子流，人們稱之為“太陽風”。當太陽風十分強勁時，即産生名副其實的“太陽風暴”。當太陽風暴襲擊地球時，便使地球磁場産生激烈的擾動——磁暴。磁暴會在人類的供電網中誘發強大的沖擊電流，從而造成輸電網絡癱瘓。

其實，我們能夠看到，感受到的陰晴冷暖，都是發生在對流層之内。而在此之外的空間天氣，存在于地球與太陽之間，同樣發生着劇烈的活動，并且與人類的生存，發展息息相關。

曆史研究

幾個世紀以來，人們已經注意到空間天氣造成的極光，但不理解它。中世紀歐洲航海家使用天然磁石磁羅盤導航儀時注意到石頭的方向有時候會偏離磁北極。這是1600年在《DeMagnete》書中描述的，但是直到19世紀才知道是由空間天氣造成的。1840年空間天氣在各區域的不同時段影響了第一份電報。1859年的巨大太陽風暴中斷了全球的電報業務，被當時的許多主要報紙刊登報道。RichardCarrington把這次中斷與一天前觀測到的太陽耀斑以及與電報中斷同時發生的地磁場大的偏轉(磁暴)正确地聯系起來。根據這種聯系，空間天氣已經成為太陽物理學範圍内的學術研究課題。KristianBirkeland通過在他的實驗室中人工制造極光解釋了極光的物理過程，并預測了太陽風的存在。随着無線電在商業和軍事領域的應用，人們注意到極端平靜和噪聲存在周期性。在1942年的大太陽事件期間雷達受到的嚴重幹擾引導人們發現了空間天氣的另一個方面:太陽射電爆發(太陽耀斑産生的覆蓋很寬頻率範圍的無線電波)。

在20世紀，由于軍事和商業系統都依賴于空間天氣系統的影響，人們對空間天氣越來越感興趣。通信衛星是全球貿易的重要組成部分，氣象衛星系統提供地面天氣信息，全球定位系統的衛星信号在各種各樣的商業産品和過程得到廣泛使用。空間天氣現象會幹擾或破壞這些衛星，或者幹擾這些衛星的無線電上行和下行信号。空間天氣現象會在長距離輸電線路中産生有損害作用的浪湧電流，也會使飛機上的乘客和機組人員暴露在輻射之中，特别是在極地航線上。

國際地球物理年(IGY)大大促進了空間天氣研究。IGY期間獲得的地基數據表明，極光發生在距離磁極15~25緯度，寬5~20度的極光橢圓帶上，是一個永久的發光區域。1958年，ExplorerI衛星發現了範艾倫帶，也即輻射粒子被地球的磁場束縛的區域。1959年1月，蘇聯衛星Luna1第一次直接觀察到了太陽風，并對其強度進行了測量。1969年，INJUN-5(又名Explorer40)第一次直接觀察到由太陽風帶來的地球高緯電離層電場。20世紀70年代早期，Triad數據表明在極光橢圓帶和磁層之間永久的存在電流。由于這些及其它重要的發現，空間天氣研究快速增長。

在我們的太陽系中，空間天氣主要受太陽風的速度和密度，以及太陽風等離子體攜帶的行星際磁場(IMF)影響。很多物理現象都與空間天氣有關，包括地磁暴和亞暴，範艾倫輻射帶能量增強，電離層擾動，星地無線電信号閃爍，遠距離雷達信号閃爍，極光和地球表面地磁感應電流。日冕物質抛射和與其相關的激波也是重要的空間天氣驅動源，因為它們可以壓縮磁層并引發磁暴。由日冕質量抛射和太陽耀斑加速的太陽高能粒子，也是一個重要的空間天氣驅動源，因為它們能損壞航天器中的電子器件(如Galaxy15的失效)，并威脅到宇航員的生命。

20世紀90年代，空間環境對人類系統的影響使得人們越來越明顯的感覺需要一個更加協調的研究和應用框架，空間天氣這個術語也随之被人們使用。美國國家空間天氣計劃的目的就是将研究集中在受空間天氣影響的商業和軍事群體的需求上，将研究團體和用戶群體聯系起來，協調各業務數據中心，并更好地定義用戶群體的需求。這個概念在2000年轉化為行動計劃，在2002年轉化為實施規劃，并在2006年進行評估，在2010年進行戰略修訂。修改後的行動計劃将在2011年發布，修訂後實施規劃将在2012年發布。國家空間天氣計劃的一部分是讓用戶知道空間天氣影響了他們的業務。

早在1994年，美國就批準實施了"國家空間天氣計劃"，包括政府部門、研究機構、大學、企業在内的跨部門持續協作，增強并鞏固了美國在空間天氣領域的領先地位。

特别引人關注的是，美國軍方在空間天氣研究中始終占據主導地位，關乎國家安全的空間天氣探測設施和探測産品始終居于軍方控制之下。例如，在太陽觀測方面，美軍擁有分别位于澳大利亞、意大利、馬薩諸塞州、新墨西哥州和夏威夷州等地的太陽地基觀測網，對太陽實施号稱"日不落"式的連續觀測;在電離層探測方面，美軍擁有遍布美國全境和世界主要地區的電離層綜合探測網;在衛星軌道空間天氣探測方面，美軍擁有部署于GPS等系列衛星的天基空間天氣探測網。他們還在研究成果的業務轉化方面給予了特别關注，比如，美國空軍著名的第55中隊，就是專門從事空間天氣業務的專業力量。

地球氣候關系

與太陽的可見光波段和紅外波段的電磁輻射的能量相比，源于所有空間天氣現象所引起的進入地球大氣對流層和平流層的總能量是微不足道的。然而，在太陽黑子的準11年周期與地球的氣候之間似乎确實存在着某些聯系。比如，長達70年的幾乎沒有黑子活動的蒙德極小期與地球氣候變冷相關。對于這種聯系，有一種說法是，宇宙線通量的改變會使得雲形成的數量發生變化。另一種說法是，地球氣候的驅動源對太陽遠紫外通量的變化響應敏感，而且，太陽遠紫外通量的變化會決定了地球太平洋是出現厄爾尼諾還是拉尼娜現象。但兩者是否有關聯，仍然沒有定論。