什么叫空间天气

传统“天气”的物理定义是：瞬时或较短时间内风、云、降水、温度、气压等气象要素综合显示的大气状态。日常所讲的天气，是指发生在对流层内、影响人类生活、生产的中性大气物理图象和物理状态，例如阴、晴、雨、雪、冷、暖、干、湿等。

对流层顶以上的大气处于什么样的状态，是否会影响人类的生产和生活？随着空间技术的发展，人类对从对流层顶一直到太阳大气表面这广阔空间区域的物理状态有了深入的了解，掌握了许多物理现象的规律。这一区域既含有中性气体，又有电离气体和高能带电粒子；既存在稳定的重力场，又有以各种时间尺度变化的电磁场。在大约60km以上，中性大气密度和温度、电离气体的电子密度等参数对太阳变化的响应迅速，幅度变化大。这些参数迅速而大幅度的变化还将进一步衍生许多效应，对地面和空间的技术系统产生明显的影响，甚至使之失效。因此，人们需要象关心日常天气那样关心对流层以上的环境状态。这样，“天气”概念所涉及的空间范围自然要扩展。“空间天气”的概念就是在这一背景下产生的。

空间天气是一个比较新的概念，它的内容和含义仍在发展中．最普遍的一种理解是：空间天气是指太阳表面、太阳风、磁层、电离层和热层瞬时或短时间内的状态。它们的状态可能影响空间和地面技术系统的性能和可靠性，可能危及人类的生命和健康。恶劣的空间天气可引起卫星运行、通信、导航以及电站输送网络的崩溃，造成各方面的社会经济损失。

这个定义强调了空间天气消极的一面。实际上，与日常所说的天气一样，空间天气也有好、差和恶劣之分。所谓好的空间天气，指太阳、行星际空间、磁层、电离层、高层大气处于平静的状态，有利于运载火箭发射和卫星正常运行；所谓差的天气，是指上述区域具有不同程度的扰动；而恶劣的空间天气，就是各种 “空间暴”，如强的日冕物质抛射、大耀斑、高速太阳风、磁暴、亚暴、电离层突然骚扰等。与空间天气有关的一些物理现象也是特别有趣的，如在极区出现的美丽的极光等。研究空间天气最重要的社会和经济方面效益，在于通过合理的系统设计或有效的警报和预报系统避免空间天气事件造成不良后果。

从时间尺度的角度考虑，“天气”事件应是短期的状态变化。众所周知，11年太阳周是最重要的空间气候周期，而27天重现性是空间天气最易预报的特征之一，不妨将其定为空间天气时间尺度的上限。

历史上，第一个有记载的空间天气损害技术系统的事件发生在1847年3月19日，在英格兰观察到电报的针自发地偏转。同年9月24～25日，最大的偏转发生在极光出现时。1859年8月28日到9月2日，出现极光，在加拿大电报站间的通信完全中断。在纽约、华盛顿等城市也出现类似现象。在法国，9 月2日一整天，所有的电报业务受到阻碍。1872年2月4日，出现历史上所知最大范围的极光之一。在此期间，地电流得到不寻常的发展。在德国，所有的电报线受到影响，科隆与伦敦间的通讯长时间不能进行。在英格兰、法国、澳大利亚、意大利等国也观测到地电流，用海底电缆进行通讯也受到阻碍，特别是从里斯本到直布罗陀、苏伊士到亚丁、亚丁到孟买的线路。第一个有记载的磁暴影响电力系统的事件发生在1940年3月24日，美国和加拿大的电力公司报告了磁暴期间的电压降、无功功率大的摆动等效应。第二次世界大战期间，英格兰的无线电操作员确信，他们的高频无线电通讯中断是由于敌人的干扰。这些相关事件是空间天气效应的早期实例。

今天，人类对空间天气已有深入的了解，从太阳表面扰动的产生，到对地球空间的一系列影响，现在都积累了丰富的知识。然而，“空间天气”一词过去没有被公众所了解，这一方面是由于当时空间技术主要用于军事，另一方面是由于空间技术仅最近一些年才普遍地进入老百姓的日常生活。具有广阔基础的国家空间天气服务的概念是由代表美国国家基金委、国防部、国家航空与航天局、内务部、能源部及国家海洋与大气局的一个小组于1994年提出的。在此之前，包括中国在内的许多国家的有关研究部门在提供空间天气信息方面已作了大量工作，但这些工作没有组织到一个协调一致的计划里。

与空间天气直接有关的区域包括太阳和太阳风、磁层、电离层和热层。由于这些区域巨大而又复杂，空间科学所有传统领域都与空间天气学的研究有关。例如，行星大气和磁层的研究，在检验我们对支配地球环境的基本物理过程的理解方面是很重要的。类似的，等离子体和化学反应率的实验室研究，有助于提高我们观测和了解空间各种现象的能力。

空间天气变化开始在太阳表面，太阳是影响地球的电磁辐射和粒子辐射的能源。太阳活动性改变了太阳的辐射和粒子输出，在近地空间环境中以及地球表面产生相应的变化。就空间天气效应而言，最有影响的事件是太阳耀斑和日冕物质抛射。虽然太阳辐射的长期变化不会产生明显的空间天气效应，但它在帮助我们了解短期变化幕后的潜在效应方面是很重要的．

太阳辐射输出的变化通过原子和分子的激发和电离直接影响高层大气和电离层的状态。太阳的粒子发射包括高能粒子和组成太阳风的低能粒子。粒子和场在从太阳外流时不断变化，特别是它们与行星际激波相互作用时。

太阳风从太阳向外流动并撞击地球。太阳风的等离子体和磁场与地球的大气层和地磁场相互作用产生泪珠状的、被称为磁层的区域。这个区域的表面，即磁层顶，在太阳向是5-10个地球半径，而在反太阳向扩展到月球轨道之外。磁层顶被认为是一个屏障，它防止除太阳风携带的一小部分能量之外的所有能量进入磁层。在正常条件下，这个能量以磁层粒子和场的形式存储，但在一定条件下，它脉动式地释放到地球的大气层。能量的脉动式释放归因于磁层亚暴。它表现为明亮的、变化的极光和强的电离层电流。在亚暴期间，磁层的磁场突然呈现新的位形，接着是长达许多小时的恢复时间。

亚暴描述了磁层对太阳风激励源相对短的响应，而地磁暴是对由强的、南向的行星际磁场表征的延续太阳风流的持续的、长期的（几天到几周）的响应。这个状态产生相当大的环电流能量―准捕获的质子和重离子，因此，在低地磁纬产生很大的地磁起伏。磁层离子沉降到极盖，加热中性大气并激发电离层扰动。太阳风状态返回到未受扰动情况后，磁层和电离层需要几小时或几天才能恢复。

由于地球的磁场穿过磁层，大多数磁层过程通过某种方式与电离层和热层性质的变化联系在一起。例如，电流、极光发射、摩擦加热、电离和闪烁。所有这些现象都是近地空间天气的组成单元。这些效应也受源于低高度的过程影响，例如重力波以及来自太阳辐射和宇宙线的直接能量沉降。空间天气效应也包括在地表面感应的电流，它是电离层电流变化的结果。

总之，空间不是空的，太阳不是稳定的，空间环境对不断变化的太阳的响应就构成了空间天气。

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