2012至2014年太阳进活动峰年 太阳风暴将袭地球

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近二十年来,科学家们逐渐证明了空间天气变化和地球电磁灾害之间的联系。他们频繁警示,如果不采取行动,包括太阳风暴在内的各种空间天气事件,将对人类的社会生活带来灾难性的破坏。

严重的空间天气灾害本身是一种低概率的事件,它对高度现代化的社会(比如北美与欧洲)影响更加显著。但随着社会发展,一些发展中国家也开始受到侵袭。

随着中国社会经济的发展,以及航天活动的增多,科学家们意识到,必须加强对磁暴、高能粒子等危害的预报能力。中国气象局国家空间天气监测预警中心主任王劲松说,“为此,我们制订了一系列策略,一方面向公众传播空间天气的概念,另一方面通过积累案例寻找空间天气事件对特定用户的影响,并针对性地做出预案。”

期盼当代“夸父”

包括中国在内,目前全球科学家的太阳风暴观测与科研数据大都来自美国的三颗卫星——SOHO、ACE和ISEE。它们处于地日引力平衡点——L1点上,这个最佳位置能24小时观测太阳风暴变化与地球的实时反应。

令科学家们担忧的是,ACE探测器正在失效;于1992年发射的SOHO也面临退役。并且,它们搜集的信息也并不能做到完全、随时共享——比如在2003年的美伊战争期间美国就暂停了对数据的开放。

在此情况下,中国科学家开始考虑一个新的观测计划。

2003年1月24日,在中国国家自然科学基金委地学部“关于推动空间天气研究座谈会”上,北京大学地球与空间科学学院涂传诒院士公布了一个名为“夸父计划”的大胆构想,提出要建立一个卫星综合观测系统,观测空间天气事件从太阳到地球的整体、连续变化现象,提高空间天气灾害预报的准确度,服务于航天、通讯等高科技活动。

在此之前,涂传诒与北京大学地球与空间科学学院教授肖佐、中国东方红航天卫星公司总工程师张永维和中国科学院院士魏奉思进行了将近一年的讨论。这一计划在那次会议上得到普遍的支持。

随后,“夸父计划”成为中国国家自然科学基金委支持的重点项目。

2007年9月,该计划通过了国防科工委的相关评审,进入工程立项阶段。根据国防科工委建议,“夸父计划”与中国科学院空间科学与应用研究中心刘振兴院士建议的“风暴计划”进行了整合,最终形成了“夸父—太阳风暴、极光和空间天气计划”。

这一计划锁定在太阳的深空探测,将采用“L1+极轨”的全新协同轨道设计,由一颗位于日地引力平衡点L1点上的卫星“夸父A”和两颗沿极轨共轭(南、北极)飞行的卫星“夸父B1”“夸父B2”组成综合观测系统,将用于连续监测太阳剧烈活动及其导致的日地空间环境连锁变化的全过程。

肖佐告诉《中国新闻周刊》,“夸父计划”将对日地空间天气系统的两端——太阳大气和地球空间——进行前所未有的时空连续、多层次的成像观测,“三颗卫星能分别同时观测太阳风暴的形成和地球的即时反应,这是以往的观测卫星难以做到的”。

2012年至2014年太阳进入活动峰年,更多的太阳风暴将袭击地球。因此,科学家建议“夸父计划”三颗卫星在这个时间内发射,将能观测到新的日地物理现象,进一步揭示日地空间风暴机理,监测行星际扰动传播,为灾害性空间环境预报提供观测数据。

认识“空间天气”

“在空间天气预警方面,我们主要依靠国外的资料,这与中国相关的探测研究起步晚有很大关系。”中国科学院院士魏奉思告诉《中国新闻周刊》,发达国家的相关部门往往是主动寻求预报,但在中国由于实践和认识方面的原因,有些部门有可能对空间天气灾害的预估过于乐观。

美国是最关注空间天气的国家之一。早在1970年代初,“空间天气”(space weather)这一词汇就出现在美国空间物理学家M.Dryer博士的《太阳活动观测和预报》的序言中。美苏争霸中,美国在“空间疆域”的争夺中投入巨大。冷战结束后,空间天气研究逐渐转向和平应用。1995年,美国制定国家空间天气战略计划,“空间天气”也迅速发展为一个相对新的科学领域。

美国宇航局2006年至2016年的战略计划中特别指出,“空间天气对人类的危害越来越明显,因此认识并降低空间天气对人类的危害效应迫在眉睫。”

魏奉思是中国较早关注“空间天气”的科学家之一。他1991年就提出建立“空间天气和气候学”的问题应提到空间物理学家们的议事日程;1993年更指出:“空间天气学必将在人类跨世纪的步伐中应运而生。”但中国社会对空间天气科学重要性的认识以及在国家行为方面相对于美、欧国家滞后,尚处于起步发展阶段。

1994年开始的“子午工程”是有关空间天气研究的一项国家级工程项目。这一工程在2009年～2010年间正式建成,全称为“东半球空间环境地基综合监测子午链工程”,旨在了解东半球120°E子午链上空间环境变化规律,逐步弄清其120°E子午链区域性环境特征与全球环境变化间的关系,为研究与预测空间天气变化提供地基观测数据。航天部门成功实施的地球“双星”计划则承担了一部分空间数据观测任务。此外,“夸父”空间天气探测计划也正进入工程立项的推动之中。据悉,中国也有一些卫星搭载着监测空间环境变化的仪器,提供部分观测数据。

包括这些项目在内,科学家们正在建议中国应构建空间天气保障体系。魏奉思告诉《中国新闻周刊》记者,《空间天气保障能力发展战略建议》已经呈送,其中空间天气保障体系建设“三步走”的战略步骤:夯实基础,聚焦近地空间(2009-2015);跨进前列,建设地球空间天气保障体系(2016-2020);引领发展,建设日地系统空间天气保障体系(2021-2030)。

魏奉思说,当前的核心是加速推进“夸父计划”和在“子午工程”一期基础上加速建设子午工程二期,“我们希望从起步开始有一个好的国家体制和机制,可以从成立国家空间天气计划协调小组做起,少走分散、重复的发展弯路。”

人类“与星同在”

人们往往采取国际合作的方式完成庞大的空间科研计划,中国也不例外。2006年1月12～13日,“夸父计划”国际研讨会在德国林道(Lindau)召开,进一步明确了有效载荷的配置、技术指标以及国际合作的途径。2007年1月7日,中国航天局、欧洲空间局(ESA)、加拿大空间局(CSA)和英、法、德、意、比、奥等10个国家的空间探测部门的代表在三亚召开了“夸父计划”国际协调会议,确定了需要进一步会谈的问题。

肖佐介绍,“一些欧盟、加拿大等国家和地区的科学家以个人名义表示要参加这一计划。在科学仪器配置方案中,所有仪器都有国际合作。欧空局、加拿大航天局也表示出积极支持和合作意愿。”

“夸父计划”同时也参与了美国宇航局(NASA)的“与星同在” (Living with a Star,LWS)国际计划。这一计划始于2001年,基本策略与地球上的天气研究类似。“我们将发射一系列的"气象站",也就是观测太阳大气不同方面的航天器。”项目负责人Guhathakurta说,“这一计划目标在于帮助人们了解太阳的大气,尤其是太阳风暴的预报方法。”

人类的头顶上有超过500颗现役卫星正环绕地球运行,保障人类完成电视、广播、电话、互联网、GPS导航以及天气预报工作,现在,是需要保障它们的时候了。

鱼峰

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太阳年?