空间天气（空间天气学）

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空间天气所指的风是什么风

空间天气所指的风是太阳风。是指从太阳上层大气射出的超声速等离子体带电粒子流，在不是太阳的情况下，这种带电粒子流也常称为“恒星风”。太阳风是一种连续存在，来自太阳并以200-800km/s的速度运动的高速带电粒子流。

空间天气：

空间天气是一个全新的概念，太阳上出现的耀斑和日冕物质的抛射等剧烈活动，给地球磁层、电离层和中高层大气，卫星运行和安全，以及人类健康，带来严重影响和危害，人们把这种由太阳活动引起的短时间尺度的变化，称之为空间天气。相对于地面天气而言，空间天气发生在距离地面30公里以上，空间天气涉及的物理参数与大气天气有很大不同。

与空间天气相关的现象是什么?

与空间天气相关的现象是极光。太阳上出现的耀斑和日冕物质的抛射等剧烈活动，给地球磁层，电离层和中高层大气，卫星运行和安全，以及人类健康，带来严重影响和危害，以及通讯损坏。人们把这种由太阳活动引起的短时间尺度的变化，称之为空间天气。根据空间天气的概念，太阳活动引起的短时间尺度的变化，可知极光属于空间天气。

空间天气的含义和危害

通俗来讲，空间天气指的是日地空间中能够影响地面高级技术系统或危害人体健康的状态或事件，主要是由太阳活动引起的。卫星运行、航空飞行、地面管网等一些高技术系统，均可能受到空间天气事件的严重干扰。当影响严重的灾害性空间天气事件发生时，就要预警、预报。

空间天气研究和预报的主要内容

13.5.3.1 科学方面——对空间过程规律性的认识

地球空间环境是太阳的电磁辐射和粒子流与地球大气、地磁场相互作用而形成的一种特定的地球物理环境，它是由中高层大气、电离层、磁层、行星际空间直至太阳表面等几个互相耦合的部分组成的复杂动力学系统。太阳是这一系统主要的能量和扰动来源，也是各种空间天气过程的根本起源。认识空间过程的规律是空间物理的中心任务。

人们早就意识到空间环境是人类生存环境的重要组成部分。对变化地磁场起源于高空电流体系的猜想可以追溯到1882年斯图尔特提出的大气发电机假设，40多年后阿普尔顿用电磁波反射的方法证实了电离层的存在。把地磁变化、北极光和太阳辐射联系在一起的第一位科学家是挪威人伯克兰（1867～1917），他的开创性的实验和理论研究把人们的思考带到了地球空间。

空间物理学经过半个世纪的发展，对地球空间的组成和结构有了深入的了解，对空间过程的物理机制有了基本的认识。空间天气学是空间物理和空间探测发展的新阶段，它将把人类对空间环境的知识变成促进人类社会进步的现实生产力。

13.5.3.2 航天活动方面

空间天气的重要性首先体现在航天活动方面。在日地空间运行的航天器遭遇的空间环境主要有以下几个方面。

（1）中性大气环境

当太阳紫外辐射、X射线的强度发生剧烈的变化时，高层大气的温度和密度也随之发生剧烈的变化，它导致在太阳活动高年和低年时，高层大气密度有很大的差别。太阳发生耀斑等短期变化时也同样会导致大气密度类似的变化。

（2）等离子体和低能带电粒子环境

航天器运行轨道上的等离子体主要是组成电离层的电子和离子。太阳电磁辐射的差异（太阳活动高年和低年）也导致电子密度有很大的差别。

沉降粒子是航天器轨道遇到的低能带电粒子，它是在地球磁场发生扰动时，原来被地磁场束缚的辐射带粒子的束缚条件被破坏，沿磁力线注入到高层大气，在低轨道上运行的航天器会受到它的轰击。它出现的区域很小，厚度往往只有几千米到几十千米，在极光带和极盖区出现的概率最高。因为它是伴随磁场扰动而发生的，所以在太阳活动高年遇到的机会较多。

（3）磁场环境

航天器轨道上的磁场主要是起源于地球内部的地磁场。磁场对航天器的直接影响主要是作用在航天器上的力矩，改变航天器的姿态。

地磁场中起源于空间电流体系的变化磁场部分，也是空间环境安全保障中的重要参数。

（4）高能带电粒子环境

高能带电粒子是影响航天器的重要环境参数，主要由来自太阳的太阳宇宙线，来自银河系的银河宇宙线，以及被地磁场捕获的辐射带粒子组成。在航天器轨道上，能量较高的粒子在地磁场的引导作用下集中到高纬度地区，表现出很强的区域特征。

通常只是在太阳表面发生剧烈扰动时才发射出大量高能粒子，其成分主要是质子。太阳质子事件的发生带有很大的随机性，并表现出很强的空间分布不均匀性和突发性。预报地球附近的太阳宇宙线强度是空间环境安全保障中的重要课题。

辐射带是由被地磁场捕获的带电粒子组成的，它们长时间地围绕地球运动，对航天器构成严重威胁。在磁场强度低于偶极子磁场的负磁异常区，如位于南大西洋的异常区，辐射带下边缘的高度比较低，在200 km左右高度上即出现辐射带粒子。在磁场强度高于偶极子磁场强度的正异常区，辐射带下边缘在1500 km以上。航天器轨道将不可避免地穿过辐射带的南大西洋异常区，因此，辐射带的高能带电粒子是影响航天器的重要环境因素。

（5）电磁辐射环境

航天器轨道上的电磁辐射环境包括太阳电磁辐射，地球和大气对太阳电磁辐射的反射，地球大气本身的电磁辐射。太阳总辐射即为太阳常数，变化很小，对空间环境的直接影响也比较小。紫外辐射、X射线和γ射线则相反，它们所占能量份额虽然较小，但强度变化大，对空间环境的直接影响大。在太阳表面发生剧烈扰动时，近紫外辐射的强度增加接近一倍，远紫外辐射强度可增加数倍，X射线则可能增加数十倍或更高。这些波长很短的电磁辐射对航天器轨道上的空间环境有很大的影响，当它们发生变化时，会引起高层大气温度和密度随之变化。

（6）流星体和空间碎片环境

流星体是宇宙空间中在太阳引力场的作用下高速飞行的固体颗粒，相对地球的速度最高可达72 km/s。流星体可分为两部分：一部分比较均匀地分布在宇宙空间之中，航天器与之发生碰撞的概率相对稳定；另一部分密集在某颗彗星的轨道附近，当地球携带航天器通过这些轨道区域时，这时航天器与它们碰撞的概率增加。

空间碎片，又称空间垃圾，与航天器的相对速度稍低于流星体的相对速度。从相对静止到16 km/s，平均相对速度为11 km/s左右。测量结果表明在300～1500 km的高度范围内的通量都很高。

在上述各种空间环境中运行和工作的航天器受到多种多样的影响，其影响形式和程度与卫星轨道和卫星功能有关。

卫星受环境影响主要表现在以下几个方面。

a.来自太阳、行星际空间和地球磁层的高能粒子不断轰击航天器表面，更高能的粒子可穿过电子器件，在电子信号串中改变数据位，导致仪器发出混乱指令或提供错误数据，这种混乱指令能引起卫星重大事故。如果地面控制人员预先注意到粒子的影响，是完全可以避免的。低能粒子可引起航天器表面带电，特别是在大的地磁活动期间。另外高能电子可造成电介质深层充电效应缩短内部器件的使用寿命。

b.剧烈变化的太阳紫外线强度不断改变着大气的密度和温度，影响卫星的轨道和寿命，大磁暴使大气加热，大气层扩张，强烈扰动低高度卫星的轨道，能危及航天飞机和机组人员的安全。

c.所有波段的通信都受到空间天气的影响，高频（HF）首当其冲，电离层的不规则性往往会造成信号的衰减。在强扰动条件下，通常在极光带附近或穿越极盖区时，电离层可将信号完全吸收，使高频传播成为不可能。信号特征可能被电离层改变，它将导致信号质量的下降，更为重要的是会使关键的通信中断，例如搜索与营救、军事行动和计算机网络等。

这些环境影响会造成一系列严重后果。例如，影响航天器轨道、姿态和寿命，对宇航员会造成辐射损伤，对航天器材料、电子器件、太阳能电池会造成辐射损伤和化学损伤，影响航天器电位，导致航天器出现软件错误，影响航天器通信和测控，影响航天器热状态。

13.5.3.3 通信与导航方面

在现代社会，离开空间通信寸步难行。各种资源卫星、军事侦察卫星、科学实验卫星、气象卫星、通信卫星、GPS等都要进行信息传输，传输所经过的空间经常发生着各种扰动，决定着传输的可能性和质量。

地面的无线电通信要借助于电离层对电波的反射，而磁暴、电离层暴等空间天气过程会对电波信道造成灾害性的破坏，轻则降低传输质量，重则使通信完全中断。

飞机和舰船导航要借助地磁场、雷达等，在磁暴期间，地磁场发生极大扰动，会使导航失灵。

13.5.3.4 地面技术系统方面

当太阳风到达地球空间时，地球的磁层—电离层—热层—中性大气系统中会发生一系列变化。其中最剧烈的活动就是磁层暴。磁层暴期间，地球空间的各个部分都发生剧烈扰动，这些扰动破坏了空间飞行器的正常工作条件，同时对地面技术系统产生极大的破坏性影响。例如，强烈变化的磁场会在地面的任何导体中产生感应电流，一旦地表有导体油气管线或电网存在，强大的感应电流就会在其中流动。强磁暴时，每千米的输油管线上有6 V的感应电压。感应电流从油气管线流过时，会造成管线的加速腐蚀，影响流量计的正常计数。感应电流从输电线路流过时，会损坏变压器和储存器。

13.5.3.5 国防安全方面

从第一个人造卫星上天，各国就把卫星在军事侦察和未来战争中的应用作为一个主要目标。空间技术在军事领域中的应用最具有代表性的是战略导弹和军用卫星。军事侦察卫星是透视高技术战争战场局势的最有力的太空兵器。

导弹和军事侦察卫星在作战应用中的问题有两个。一是对目标的打击或分辨的精确程度；二是可靠性。随着科学技术的发展，导弹武器的命中精度和侦察卫星的目标分辨率都在不断提高，空间飞行安全的可靠性也在不断提高。但是，达不到预期效果和出现意料不到的故障，乃至惨败事故的情况也是屡见不鲜的。

究其原因大致有三类，即设计（包括材料）方面的原因，操作使用方面的原因，大气与空间环境的影响。由前两类原因所造成的精度和可靠性方面的问题，通过不断的研究和使用技术的改进，在事故原因中所占比例也在逐步减小。对于第三类原因，改进依赖于对空间环境的认识。

目前军事上最关心的问题有：空间环境对导弹、卫星的影响因素及影响机理，空间热环境、电磁环境与辐射环境，微流星和碎片环境以及高层大气环境。

在航天器设计中必须考虑空间环境问题，但灾害性空间天气事件属异常情况，它与正常模型偏离较大。为了提高航天器设计的可靠性和合理性，提高其对空间环境变化的适应能力，要求尽可能准确描述灾害性空间天气过程的各种参数，评价其危害性。

作战空间的四维化使空间环境成为现代战争重要的作战环境之一，空间环境的保障势必成为未来战争的基本军事保障要素之一。空间气候、空间天气势必进入战略谋划、决策和战争全过程的各个阶段和层次。

21世纪将有更多的军事系统，包括指挥、控制、通信、导航、侦察、预警和导弹等主战武器系统进入平流层及其以上空间。这些系统的设计、研制用的全过程、全寿命管理和使用中，都将需要空间气候和空间天气的支持。

了解和认识空间天气也是利用空间天气，趋利避害，打击敌人，保护自己需要。

随着现代战争作战空间的扩大，原来已经列入军事气象保障范畴，但过去并未实施、并未受到重视的对流层以上直至电离层的广阔空间的军事气象保障问题将会逐步提到议事日程上来。这些空间是与空间天气研究空间相交叉的、最具实用价值的空间领域。随着对军事气象保障要求的不断提高，常规气象保障中的一些难题的解决也需要拓宽研究领域，需要空间天气研究的支持。

现代战争和现代军事科学的发展对空间天气保障不断提出新的需求。例如，高空风和高空风切变，中高层大气密度及其变化，电离层电子密度及其变化，地磁干扰，太阳质子事件，太阳X射线事件，太阳无线电爆发，卫星轨道上高能粒子通量。

因此，发展空间天气，对加强国防建设，增强抵御能力是非常重要的。

13.5.3.6 自然灾害方面

地磁活动与太阳活动、大气层和生物圈之间存在很好的相关关系，因而认为地磁活动性可作为太阳天气关系的“指示器”。分析研究上百年的太阳活动、地磁活动和各种气象参数资料，揭示了地磁场与低层大气气压、气温和降雨量的关系。

英国日地物理学家J.W.King在1974年建议将气象现象和与其有相关过程的地球磁场间的关系的研究领域称为“磁气象学”（magnetometeorology）。

13.5.3.7 国民健康方面

研究表明，心脏病、脑血管病和恶性肿瘤的发病、死亡与自然界的一些突发事件如太阳活动及地磁场干扰等外部因素有关，而且很可能某些外部因素在一定程度上对这些疾病的发病和病死起着诱发或加速的作用。

13.5.3.8 国民教育方面

空间天气是一个新的知识领域，一方面它密切地依赖于空间物理学对日地空间规律性的认识，另一方面它又建立在航天、通信等高技术基础之上。它的基础性和应用性极强。有关空间天气知识的宣传教育，有利于提高国民的基本素质，有助于增强公众对空间天气及其影响的认识。尤其可以使青年学生认识和理解基础性研究和高科技在当今社会中的作用，激发和引导他们关心这一对人类今天和未来有重大影响的事业，为空间天气领域不断补充高素质的科研和工程人员创造条件。

空间天气是什么?

“空间天气”（或“太空天气”）一词出现于20世纪80年代初，流行于20世纪90年代。空间天气是指行星际和近地空间环境的结构、组成及其变化过程，在这个巨大而复杂的系统中发生的能量、动量和物质传输及转换。

一般来说，空间天气包括以下几个方面。①空间天气涉及的空间范围：空间天气监测和研究的空间范围包括太阳表面、行星际、太阳风、磁层、电离层和热层直至中高层大气，这一点与空间物理、日地空间物理、空间环境等所涉及的范围是完全一致的。②空间天气研究的主要内容：影响天基和地基技术系统运行，危及人类健康和正常活动的空间状态和事件，它依赖于空间物理的基础性研究和对空间环境的基本认识，着重于灾害性天气过程的描述与预报。③空间天气的主要目标：认识地球空间系统能量、质量、动量传输和耦合的物理机制，对空间天气过程，特别是灾害性事件进行监测、诊断和预报，为天基和地基技术系统以及社会提供服务，保障国民经济的正常运行。

天气什么占据空间

天气大气层占据空间。在0℃及一个标准大气压下(1.013×10-5Pa)空气密度为1.293g/L，把气体在0℃和一个标准大气压下的状态称为标准状态，空气在标准状态下可视为理想气体，其摩尔体积为22.4L/mol。

太阳对空间天气有何影响？主要影响是什么？该如何看？

太阳喷出大量的高能粒子，称为太阳风，在太空中形成一个动态辐射系统，称为空间天气。在太阳系中，空间天气主要受太阳风的速度和密度以及太阳等离子体带来的行星际磁场的影响。空间天气系统可能对人类的利益和福祉产生深远的影响，如宇航员的安全、无线电通讯、GPS信号和地面上的公用电网。我们对驱动空间天气的因素及其与地球和月球系统的相互作用了解得越多，我们就越能减轻其危害。

根据AGENCY网站最近的公告，NASA已经确定了两项新的任务来观察太阳活动和空间天气，以促进我们对太阳的了解以及它如何影响地球附近的空间天气。事实上太阳比白天肉眼看到的更加活跃和复杂。几个以地球为半径的太阳黑子点缀在太阳表面，携带的强大磁场比太阳的平均背景磁场大几千倍。

每个太阳活动区在几分钟到几个月的时间范围内增长、消退和重组。太阳黑子作为一个群体出现，导致太阳周期约为11年，磁力周期约为22年。太阳风的典型速度和太阳辐射的变化与太阳的周期变化相一致。尽管大规模的动力学过程驱动着太阳周期性，但亮度、热量和质量流变化的实际机制也取决于在小尺度上发生的各种相互作用的总和。与持续的小规模活动的火热背景相比，全球结构在巨大的规模上储存了大量的能量。

在太阳极盛期，太阳能量以每天三次的速度喷出数十亿吨的等离子体。这些Cmes的速度可以超过背景太阳风的五倍，如果它们指向地球，可以在不到一天的时间内到达地球。Cmes通常与太阳耀斑有关，是所有爆发中最猛烈的。地球磁层、电离层和大气层的动力学和耦合过程，以及对太阳和地球输入的反应，地球空间环境的区域被中性气体、带电粒子和等离子体波动的相互作用所耦合，这些作用发生在一系列时空尺度上。通过这个环境的能量和动量传输表现出不同程度的反馈和复杂性，这就要求采用一种将其作为一个紧密耦合系统的方法。

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