中俄空間天氣學(xué)合作研究十周年

王赤李輝 程鋒 周誼

（中國科學(xué)院空間科學(xué)與應(yīng)用研究中心 北京 100190）

1 國際合作已成為空間天氣學(xué)發(fā)展的潮流和趨勢

地球空間是人類航天活動、空間開發(fā)利用及空間軍事活動的主要區(qū)域，是與人類活動息息相關(guān)的第四生存環(huán)境。和地球天氣一樣，空間環(huán)境也常常出現(xiàn)一些突發(fā)的、災(zāi)害性的空間天氣變化，有時會使衛(wèi)星運(yùn)行、通信、導(dǎo)航和電力系統(tǒng)遭到破壞，影響天基和地基技術(shù)系統(tǒng)的正常運(yùn)行和可靠性，危及人類的健康和生命，導(dǎo)致多方面的社會經(jīng)濟(jì)損失。從上個世紀(jì)90年代開始，空間天氣開始成為各空間國家關(guān)注的焦點(diǎn)。然而，空間現(xiàn)象的全球性和相互關(guān)聯(lián)性強(qiáng)的特點(diǎn)決定了空間天氣的研究和應(yīng)用更多地依靠國際合作。由于需要在廣闊的宇宙空間和全球各地進(jìn)行大量的觀測，單靠一個國家的資源和力量是難以達(dá)到的。

過去10年國際科聯(lián)所屬日地物理委員會組織實(shí)施了“日地系統(tǒng)氣候和天氣”計(jì)劃（Climate & Weather of the Sun-Earth System）。目前，以美國宇航局為首、組織世界眾多國家參加的 “國際與太陽同在”（International Living with a Star）計(jì)劃是一個“聚焦空間天氣、由應(yīng)用驅(qū)動的研究計(jì)劃”，規(guī)?？涨昂甏?，將在太陽附近和整個日地系統(tǒng)配置20余顆衛(wèi)星，將日地系統(tǒng)作為一個有機(jī)聯(lián)系的整體來探測研究。2007—2008年為紀(jì)念國際地球物理年50周年，國際上又開展了國際日球物理年（IHY）、國際極地年（IPY）和信息地球物理年（eGY）等計(jì)劃。越來越多的空間天氣的探測和研究的成就得益于空間大國的雙邊或多邊合作，呈現(xiàn)多級化這是空間天氣發(fā)展的戰(zhàn)略需求。并成為空間天氣領(lǐng)域的國際合作的特點(diǎn)日趨鮮明，其趨勢還將長期繼續(xù)下去，并且合作的深度、廣度還將繼續(xù)擴(kuò)大。

2 中俄合作是提高我國空間天氣研究水平的重要途徑

人類進(jìn)入太空時代以來，前蘇聯(lián)發(fā)射了第一顆人造衛(wèi)星，第一次把人類送上太空，在很長一段時間內(nèi)前蘇聯(lián)都是空間強(qiáng)國。近十幾年來，由于國家實(shí)力下降，俄羅斯的空間研究已今不如昔。但由于起步早，且加上多年的積累，俄羅斯在空間研究的許多領(lǐng)域仍處于國際先進(jìn)行列，有其獨(dú)到之處。另外，俄羅斯對于與中國合作的態(tài)度一直比較積極，這與美國在空間技術(shù)領(lǐng)域的不合作的態(tài)度形成了鮮明對照。隨著中俄兩國關(guān)系日益發(fā)展，兩國在科學(xué)研究領(lǐng)域的合作也呈擴(kuò)大趨勢。特別在空間天氣探測領(lǐng)域，由于俄羅斯地處高緯度地區(qū)，而我國處于中低緯度地區(qū)，雙方的合作可以充分利用地域互補(bǔ)的優(yōu)勢，實(shí)現(xiàn)自然資源和人力資源的共享。中俄空間天氣的合作研究就是在這種國際背景下開展起來的。

2000年12月，中俄雙方經(jīng)協(xié)商后正式成立中俄空間天氣聯(lián)合研究中心，主要目的是協(xié)調(diào)和加強(qiáng)中國和俄羅斯科研人員在空間天氣研究和預(yù)報領(lǐng)域的合作研究。合作參加單位中方有：中科院空間科學(xué)與應(yīng)用研究中心、中科院國家天文臺、中科院地質(zhì)與地球物理所、中國科技大學(xué)、北京大學(xué)等。俄羅斯的參加單位，也由最初的俄羅斯科學(xué)院西伯利亞分院伊爾庫茨克日地物理研究所，擴(kuò)展到了其他相關(guān)研究所，有俄羅斯科學(xué)院空間研究所、俄羅斯科學(xué)院西伯利亞分院宇宙線物理與高層大氣所物理所、俄羅斯科學(xué)院地磁、電離層和電波傳播研究所。經(jīng)過10年的科研合作，我國參加合作的研究人員也更加深刻地認(rèn)識到中俄開展空間科學(xué)合作的必要性與重要性。合作已逐漸向廣度和深度上發(fā)展，共同開展觀測、研究，共同研發(fā)科學(xué)儀器，共同在國際組織中相互支持并提出國際項(xiàng)目，建立有中俄合作特色的國際組織，為中俄空間天氣領(lǐng)域的科學(xué)家搭建了一個合作交流的有效平臺。 靈活與逐漸多樣化的合作模式也受到了中俄科學(xué)家和主管部門的廣泛認(rèn)可。

3 共建聯(lián)合中心（實(shí)驗(yàn)室）的平臺意義深遠(yuǎn)

10年來，空間天氣聯(lián)合研究中心規(guī)模不斷擴(kuò)大，現(xiàn)已成為中俄空間科學(xué)研究的重要合作平臺和交流渠道。合作領(lǐng)域也由最初的磁層物理擴(kuò)展到了太陽物理、電離層物理和中高層大氣等空間天氣研究的各個領(lǐng)域。

中方每年都接待十幾位科學(xué)家進(jìn)行合作研究，不定期地組織中國專家訪問俄羅斯科學(xué)院相關(guān)研究所以及臺、站，商討合作項(xiàng)目。由于這種合作形式是直接的、連續(xù)不斷的，合作雙方都能很好地了解對方的研究情況，利用雙方共有的資料合作研究，成果和進(jìn)展也十分明顯。

2005年，為慶祝聯(lián)合研究中心成立5周年，中心組織 《中國空間科學(xué)》Chinese Journal of Space Research雜志出版專刊，登載聯(lián)合研究中心的合作文章。并在10月14日聯(lián)合研究中心成立5周年特別會議上，決定修改部分協(xié)議條款，將合作期限再延長5年。

俄中（或中俄）空間天氣學(xué)術(shù)研討會，自2000年10月14—19日在俄羅斯伊爾庫茨克舉辦第一屆以來，共舉辦了10屆，2010年10月31日—11月2日，第十屆中俄空間天氣學(xué)術(shù)研討會暨中俄空間天氣聯(lián)合研究中心成立10周年慶?；顒釉诒本┡e行。來自俄羅斯科學(xué)院伊爾庫茨克日地物理研究所、雅庫茨克宇宙物理和高空大氣所、莫斯科地磁、電離層和電波傳播研究所、俄羅斯科學(xué)院莫斯科空間科學(xué)研究所等單位的23名俄羅斯科學(xué)家和來自空間中心、國家天文臺、地球物理所、北京大學(xué)等單位的50多名中國代表一起參加了會議。雙方回顧了中俄空間天氣聯(lián)合研究中心成立的歷史及取得的科研成果，就中俄雙方在空間天氣領(lǐng)域更廣泛與深入的合作進(jìn)行了探討，并發(fā)表會議論文60余篇，出版了中俄空間天氣聯(lián)合研究中心紀(jì)念論文集。

4 合作成果

10年來，中俄雙方的科學(xué)家共同發(fā)表論文100余篇?？臻g天氣聯(lián)合研究中心規(guī)模不斷擴(kuò)大，成為中俄合作的一個國家級平臺。雙方的合作取得了一系列重要的研究成果，同時帶動了一批空間科學(xué)合作項(xiàng)目的產(chǎn)生與發(fā)展，吸引了數(shù)十名俄羅斯科學(xué)家來華合作。通過中俄雙方科學(xué)家的不斷努力，利用雙方對空間天氣觀測上的地域的優(yōu)勢（從低緯延伸到高緯）和雙方已有的經(jīng)驗(yàn)，強(qiáng)強(qiáng)聯(lián)手，相互合作，雙方空間天氣研究水平都得到了顯著提升，所發(fā)表論文受到了國際同行的廣泛重視，獲得了大量原創(chuàng)性成果。這些成果對于研究日地系統(tǒng)所特有的環(huán)境，研究其各種宏觀與微觀交織的非線性耗散，以及具有不同物理性質(zhì)的空間層次間的耦合過程，了解災(zāi)害性空間天氣變化規(guī)律均具有重要意義。

同時，雙方共同承擔(dān)了中國自然科學(xué)基金委和俄羅斯基礎(chǔ)研究基金委聯(lián)合基金資助的項(xiàng)目10余項(xiàng)，合作研制了快速太陽風(fēng)探測儀器，并推動了雙方重大合作計(jì)劃，如，2007年8月16日，“利用中國和俄羅斯東西伯利亞日地物理觀測網(wǎng)聯(lián)合觀測數(shù)據(jù)預(yù)報空間環(huán)境、綜合研究近地環(huán)境及其物理過程”項(xiàng)目列入中俄國家科技合作計(jì)劃；實(shí)施中的中俄聯(lián)合火星探測計(jì)劃和正在推動的國際空間天氣子午圈計(jì)劃等也是中俄空間天氣聯(lián)合研究中心的重要產(chǎn)出之一。

下面簡單介紹在太陽物理、磁層物理、電離層物理和中高層大氣物理4個領(lǐng)域的典型合作成果。

4.1 太陽物理領(lǐng)域

雙方共同發(fā)展了利用同步軌道電子寬帶爆發(fā)以及高時空、頻譜分辨率相干窄帶發(fā)射的觀測，研究耀斑等離子體參數(shù)的方法。2003年1月5日耀斑事件的觀測證實(shí)了斑馬紋發(fā)射機(jī)制，是該領(lǐng)域的新發(fā)現(xiàn)。

圖1.1 上半部分是SRS/NAOC的動態(tài)譜，下半部分是NAOC分光偏振計(jì)和SSRT線性陣列在橫線處（5.7GHz）觀測值的瞬態(tài)剖面。兩條豎線代表通量的兩個峰值

圖1.1的上半部分顯示的是SRS/NAOC的動態(tài)譜，顏色較深的區(qū)域?qū)?yīng)于較高水平的發(fā)射。可以看出存在兩個位于不同頻率的高水平發(fā)射區(qū)域，并隨時間的演化，發(fā)射的頻率也逐漸增大，但是兩個高水平發(fā)射的頻率之差（Δf）卻幾乎保持恒定，類似于斑馬條紋。下半部分顯示的是NAOC分光偏振計(jì)和SSRT線性陣列在上圖橫線處 （5.7 GHz）觀測的瞬態(tài)剖面。兩條豎線代表通量的兩個峰值。

圖1.2中顏色顯示的是磁圖，而等值線顯示的是紫外發(fā)射圖，斑馬紋發(fā)射的源區(qū)位于NS線和EW線的交點(diǎn)。

圖1.2 太陽磁圖

4.2 磁層物理領(lǐng)域

共同提出了一種電子在太陽風(fēng)和磁層中被加速到相對論能量的物理圖像，并且在此基礎(chǔ)上發(fā)展了同步軌道殺手電子的短期預(yù)報方法。就2009年3月13—16日事件，展示了有關(guān)產(chǎn)生殺手電子的鏈?zhǔn)竭^程。

圖 2.1是 2009年 3月13—16日事件的觀測結(jié)果。從上至下分別展示的是ACE衛(wèi)星觀測的太陽風(fēng)速度、GOES衛(wèi)星觀測的Pc5脈動（3—4 mHz）的功率譜和 GOES衛(wèi)星觀測到的殺手電子的通量。太陽風(fēng)高速流以及Pc5脈動（3—4 mHz）的功率譜的峰值出現(xiàn)之后，同步軌道殺手電子逐步增高，達(dá)到峰值后又緩慢衰落。

圖2.1 2009年3月13—16日，ACE衛(wèi)星觀測的太陽風(fēng)速度，GOES衛(wèi)星觀測到Pc5脈動的功率譜及殺手電子通量隨時間的變化

圖2.2中，星號表示的是GOES-10衛(wèi)星觀測的日最大值，黑色大圓點(diǎn)表示的是GOES-11衛(wèi)星觀測的日最大值，橙色小圓點(diǎn)顯示的是GOES-11衛(wèi)星5分鐘的觀測平均值。在同步軌道殺手電子通量增加之前，可以看到PiB脈動。圖2.3中，星號表示的是GOES-10衛(wèi)星觀測的白天最大值，黑色大圓點(diǎn)表示的是GOES-11衛(wèi)星觀測的白天最大值，加號表示的GOES-12衛(wèi)星觀測的白天最大值，橙色小圓點(diǎn)顯示的是GOES-11衛(wèi)星5分鐘的觀測平均值。類似地，在同步軌道殺手電子通量增加之前，可以看到全球Pc5脈動。

圖2.2 2009年3月12—20日，同步軌道GOES-10和GOES-11衛(wèi)星觀測到的能量大于0.6MeV的電子通量隨時間的變化

根據(jù)此同步軌道殺手電子的短期預(yù)報方法，我們可以在較高水平上預(yù)測同步軌道殺手電子的通量。

4.3 電離層物理領(lǐng)域

通過研究，共同建立了一種描述電離層-等離子層耦合的數(shù)值模型。該模型基于一些經(jīng)驗(yàn)性的信息，如電子沉降、磁層對流，以及根據(jù)[O]/[N2]觀測數(shù)據(jù)修正后的熱層大氣的一些參數(shù)。該模型能提供平靜時、中等擾動和強(qiáng)擾動期間電離層F2層特征頻率f0F2的預(yù)測，并且預(yù)測值與觀測值符合的很好。

圖3是2000年4月6—8日的超級磁暴期間，f0F2變化的數(shù)值模擬結(jié)果。第1—4欄顯示的是Norilsk,Magadan,Manzhouli,Beijing四個地方f0F2的變化，紅線表示的是f0F2的觀測值，黑色實(shí)現(xiàn)是模型的預(yù)測值，而黑色虛線是參考水平。第5—6欄分別是Kp指數(shù)和Dst指數(shù)。2000年4月6—8日的磁暴強(qiáng)度很大，最小Dst指數(shù)小于-300 nT，Kp指數(shù)也達(dá)到9+的水平。對于此次超級磁暴事件，電離層在各個緯度上都有響應(yīng)，表現(xiàn)為電力密度相對參考值的明顯衰減?？梢钥闯?，模型的預(yù)測值和實(shí)際的觀測符合的非常好，甚至相對極光區(qū)臺站Norilsk的觀測也相差不大。

圖2.3 2009年3月12—20日，同步軌道GOES-10、GOES-11和GOES-12衛(wèi)星觀測到的能量大于2.0MeV的電子通量隨時間的變化

圖3 2000年4月6—8日的超級磁暴期間，f0F2變化的數(shù)值模擬結(jié)果

4.4 中高層大氣物理領(lǐng)域

在中高層大氣物理研究領(lǐng)域，對于較強(qiáng)磁暴而言，在630 nm的中緯度極光之前，會有短時（約1小時）的似波擾動結(jié)構(gòu)，對應(yīng)于磁暴主項(xiàng)的開始。

圖4是磁暴期間630 nm輻射強(qiáng)度隨時間變化的事例。上半部分分別顯示的是2000年4月6—8日超級磁暴初相階段，同步軌道磁場（GOES-8衛(wèi)星）、AE指數(shù)和Irkutsk地磁觀測的時間演化圖。下半部分顯示的是消除了似波擾動和中緯度極光的變化趨勢之后，630 nm輻射的變化情況。磁暴急始之前，630 nm輻射的變化幅度較小，顯示為氣暉的效應(yīng)，兩個豎虛線之間為磁暴的初相階段，可以看出630 nm輻射的變化幅度突然增大，并呈現(xiàn)處波動結(jié)構(gòu)。

5 結(jié)語

中俄空間天氣合作研究的10年取得了實(shí)質(zhì)性的進(jìn)展，雙方科學(xué)家們在中俄空間天氣聯(lián)合研究中心的平臺上取得了豐碩的研究成果，增進(jìn)了友誼。展望未來，中俄兩國在空間探索方面越來越多的投入也為雙方在空間天氣領(lǐng)域的合作注入了新的活力。中俄空間合作一定會為人類共同認(rèn)識空間、和平利用空間譜寫新的篇章。

1 Altyntsev,Kuznetsov,Meshalkina et al.A&A,2003,411：263.

2 Altyntsev,Kuznetsov,Meshalkina et al.A&A,2005,431：1037.

3 Ledenev,Yan,Fu.Solar Physics,2006,233：129.

4 Altyntsev,Grechnev,Meshalkina et al.Sol.Phys.,2007,242：111.

圖4 2000年4月6—8日超級磁暴的初相階段，630nm輻射強(qiáng)度隨時間的變化

5 Altyntsev,Fleishman,Huang et al.ApJ,2008,677:1367.

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