飛向太空，探索空間環(huán)境

王赤

子午工程是我國空間天氣領(lǐng)域第一個國家重大科技基礎(chǔ)設(shè)施項目，也是國際上被譽為“雄心勃勃、影響深遠(yuǎn)、令人震撼”的大科學(xué)工程。這樣的一條子午鏈將對我國空間天氣基礎(chǔ)研究及預(yù)報的發(fā)展起到舉足輕重的作用，為提升我國空間科技創(chuàng)新能力、保障空間活動安全、增強我國在國際空間科學(xué)界的話語權(quán)做出貢獻。

——空間物理學(xué)家，中國科學(xué)院院士 魏奉思

子午工程為中國空間科學(xué)搭起了一座長約3000千米的“長城”。它可以幫助科學(xué)家把地球表面、中高層大氣、電離層、磁層，乃至十幾個地球半徑以外的行星際空間環(huán)境一次性“盡收眼底”。《探索空間天氣的奧秘》一書詳細(xì)介紹了空間天氣、太陽風(fēng)暴、子午工程、空間天氣預(yù)報等基本概念，帶領(lǐng)大家走進“遠(yuǎn)在天邊、近在咫尺”的空間天氣奇妙世界，值得細(xì)細(xì)品讀。

——空間天氣學(xué)國家重點實驗室副主任、研究員 馮學(xué)尚

三個太陽在萬有引力的作用下做著變幻莫測的運動，不知道哪一天太陽就不再升起，也不知道哪一天會三日凌空。文明在極寒和極熱交替的災(zāi)難中一次一次地毀滅，又一次一次地重生。文明的參與者頑強地探索著三體問題的解，竭盡全力地維系著文明。當(dāng)?shù)弥厍蛉祟愃幍奶栂凳侨绱诉m宜生存時，他們就組建了龐大的宇宙艦隊，朝這個世外桃源飛奔而來。這是科幻小說《三體》描述的文明受環(huán)境所迫和不同文明之間相互威脅的場景，著實讓讀者為人類的命運捏了一把汗。

雖然不用擔(dān)心三日凌空，但人類賴以生存的地球能否永保平安呢？在地質(zhì)變遷的歷史長河中，6500萬年前的生物大滅絕，就像發(fā)生在昨天一樣。地球的磁場和大氣避免了人類遭受太陽風(fēng)的直接吹襲。但有研究表明，地磁場在過去200年間減弱了15%。如果哪天地磁場消失了，人類還能在這里生存嗎？如果全球升溫持續(xù)，海平面上升2米，可供人類居住的地方就不多了。如果來一次行星撞擊地球，情況將更糟糕。這樣的危險不勝枚舉。在茫茫宇宙中，地球只是個彈丸之地。我們不能將人類的命運永遠(yuǎn)維系在這么小的球體上。

暫且不考慮人類面臨的這些威脅。從古至今，探索浩瀚的太空是人類共同的夢想。宇宙究竟有多大？宇宙是如何起源的？人類是如何起源的？有沒有外星人？這一連串的問題，吸引著我們“飛”向太空。

俗話說“朝霞不出門，晚霞行千里”。出門遠(yuǎn)行，要先看看天氣如何。在進入太空之前，請先看看空間天氣如何。因為太空并不空。那里有強烈的X射線，有可怕的紫外線輻射，有以接近光速運行的高能粒子，有比子彈還厲害萬倍的空間碎片，兇險異常。從1957年蘇聯(lián)發(fā)射第一顆人造地球衛(wèi)星開始，人類已經(jīng)將6000多個航天器送入太空。盡管很多航天器都針對空間環(huán)境采取了嚴(yán)密的防護措施，但各種異常事件還是頻頻發(fā)生。深層充電、碎片撞擊、氧原子剝蝕、單粒子翻轉(zhuǎn)、電弧放電等，是航天器常常遇到的問題。不少衛(wèi)星因為惡劣的空間天氣而損毀。對美國國家航空航天局和美國空軍發(fā)射的航天器的研究表明，大約有20%～25%的航天器故障與空間天氣有關(guān)。所以，空間環(huán)境和空間天氣是航天器設(shè)計、運行必須考慮的重要因素。

拋開太空旅行不說，人類的生產(chǎn)生活也受到來自空間天氣的影響。人們?nèi)粘Ｊ褂玫臒o線電通信、衛(wèi)星導(dǎo)航往往依賴無線電波在電離層中的傳播或者反射。太陽活動導(dǎo)致的電離層擾動必然會影響電波的傳播和反射特性，影響無線電通信信號的穩(wěn)定性和可使用的頻帶寬度，影響衛(wèi)星導(dǎo)航的精度，甚至可能導(dǎo)致通信和導(dǎo)航設(shè)施失效?？梢韵胂?，在自動駕駛技術(shù)普及的將來，交通事故的罪魁禍?zhǔn)谆蛟S就是災(zāi)害性空間天氣。

1989年的“魁北克事件”，太陽活動所導(dǎo)致的感應(yīng)電流致使變電站被燒毀，600萬人被寒冷和黑暗折磨了9個小時，造成幾千萬美元的損失。1859年，發(fā)生了一次太陽風(fēng)暴，是一名叫卡林頓的科學(xué)家首先觀測到的，故名“卡林頓事件”。這次事件造成“北半球的電報系統(tǒng)幾乎完全癱瘓”，它的強度是1989年那次太陽風(fēng)暴的3倍。而最近科學(xué)家發(fā)現(xiàn)近10000年以來最強的太陽風(fēng)暴發(fā)生在我國唐朝時期，其強度是“卡林頓事件”的2倍，是“魁北克事件”的6倍?？蛇@樣一次超強的太陽風(fēng)暴，僅僅在《舊唐書》里找到了幾十個字的記載：“東方月上有白氣十余道，如匹帛……三更后方散?！边@里說的白氣就是極光。在長安城里看到極光當(dāng)然是破天荒的事，但其影響無非是讓人們感受到兇兆以致恐慌。通過三次事件的對比可以看出，隨著高技術(shù)系統(tǒng)的應(yīng)用，空間天氣對人類活動的影響越來越深遠(yuǎn)。如果唐朝的那次太陽風(fēng)暴發(fā)生在今天會怎樣？那將可能摧毀許多人造衛(wèi)星，破壞無數(shù)個變電站，使我們的社會陷入極度混亂。這樣強度的太陽風(fēng)暴是不是像行星撞擊地球那樣罕見呢？不見得。2013年7月22日，美國的衛(wèi)星捕捉到了一次超級太陽風(fēng)暴。太陽的巨大能量爆發(fā)導(dǎo)致日冕物質(zhì)以大約每秒3000千米的速度從太陽噴發(fā)出來。如果此次爆發(fā)的時間提前9天，那么噴發(fā)的日冕物質(zhì)將直接撞擊地球，產(chǎn)生的地磁暴強度不亞于“卡林頓事件”。國際空間研究委員會估計，這樣一個超級地磁暴造成的損失將高達(dá)數(shù)萬億美元，社會恢復(fù)正常的周期長達(dá)4～10年。這一次，地球僥幸躲過了！但如果我們對空間天氣不了解，不能很好地規(guī)避其影響，人類的文明就只能像三體文明一樣在僥幸中喘息。

空間環(huán)境監(jiān)測是了解空間天氣的第一步。自從有人類文明以來，立足于地面的地基監(jiān)測就開始了。近幾十年，隨著衛(wèi)星的應(yīng)用，對空間環(huán)境的天基監(jiān)測也開展得如火如荼。美國、蘇聯(lián)、歐洲、日本等國家和地區(qū)發(fā)射了大量衛(wèi)星，用于空間環(huán)境的探測與研究，也部署了復(fù)雜的地面觀測系統(tǒng)。我國科學(xué)家基于我國領(lǐng)土區(qū)域特征，結(jié)合空間天氣現(xiàn)象沿子午線傳播發(fā)展的特性，創(chuàng)造性地提出了東半球空間環(huán)境地基綜合監(jiān)測子午鏈（簡稱“子午工程”）：沿東經(jīng)120°和北緯30°部署地基觀測設(shè)備，開展對空間環(huán)境的連續(xù)監(jiān)測。經(jīng)過4年多的建設(shè)，子午工程于2012年竣工。通過5年多的科學(xué)運行，獲得了大量的監(jiān)測數(shù)據(jù)，為科學(xué)研究和空間天氣預(yù)報業(yè)務(wù)提供了有力支撐，取得了可喜的成績。

子午工程的建成和運行，也使得空間天氣的概念越來越為普通民眾所熟知，全社會對空間天氣的重要性有了更深刻的認(rèn)識。工程的建設(shè)和運行團隊抓住一切可能的機會，卓有成效地開展了空間天氣科普教育活動。子午工程科學(xué)運行中心、數(shù)據(jù)中心已經(jīng)成了科普教育的前沿陣地。提出并領(lǐng)導(dǎo)建設(shè)子午工程的知名科學(xué)家，在一年一度的科普活動周中，面對社會大眾開展空間天氣專家科普講座，成效顯著。然而，以講座、參觀等形式開展的科普活動參與人數(shù)有限，為了激發(fā)公眾的科學(xué)意識，進一步提升公眾對空間天氣的認(rèn)知度，我們借浙江教育出版社組織編寫“中國大科學(xué)裝置出版工程”科普叢書的機會，編寫了本書。本書對空間天氣的基本概念做了簡單解釋，對子午工程的科學(xué)構(gòu)思、技術(shù)實現(xiàn)和運行能力做了較為全面的介紹?？臻g天氣是20世紀(jì)90年代提出來的新概念，空間天氣學(xué)科剛剛起步，還需要一代又一代的科學(xué)家去開拓探索。如果本書能吸引一些熱愛科研的年輕人加入到我國空間物理、空間天氣領(lǐng)域的科研隊伍中來，也是一件很有意義的事。