空間天氣學的基本問題是什么？

　　當今，空間天氣學正處在一個世界范圍內起步的階段，許多國家的科學家和政府部門都十分關注空間天氣學的發展和建立。如何有效地推動空間天氣學的發展呢？它涉及如下五個基本問題。

　　1． 空間天氣監測

　　建立空間天氣的地面、空間的全球監測網是建立和發展空間天氣學的基石。它為空間天氣變化的規律研究、模式與預測、效應分析、防護措施、地面與空間技術系統的運作，以及人類活動決策等提供觀測依據。

　　空間天氣的監測涉及與地球常規天氣十分不同的一些顯著特點，例如：監測的空間范圍很大。從地面2-30公里以上直至太陽，它涉及物理性質和結構很不相同的空間區域，這是迄今為止人類能直接探測的一個天體系統；監測的對象和參數多。主要包括太陽、多波段電磁輻射、太陽物質拋射事件和太陽帶電粒子事件、行星際太陽風暴、磁層亞暴和磁暴、電子通量增強事件、粒子沉降、輻射帶變化、電離層擾動和閃爍、中高層大氣密度和溫度、風速和成分等的擾動以及空間電狀態改變等等；監測現象的空間、時間尺度的變化范圍大。從行星際激波的106公里到中高層大氣的1公里左右.從幾分鐘、幾小時、幾天到11年太陽活動周變化；監測現象的地域性與全球性。如地磁異常、粒子沉降、電離層異常、地形地貌對高空大氣的成分、狀態的影響。空間天氣的全球性，如存在隨地球的磁經、磁緯度的全球分布與變化；監測現象的相關性強。太陽日冕物質拋射、行星際風暴、地磁暴、電離層暴、中高層大氣中的熱層暴和銀河宇宙線暴等都存在著很強的時序因果間的相關性。它們是一個空間天氣事件在不同空間區域、不同時間過程的具體表現。

　　空間天氣現象的這些特點，使空間天氣的監測具有極大的挑戰性，不僅應當不斷完善和建立地面和空間的全球監測系統，而且要盡可能到太陽附近去觀測，才識廬山真面目。

　　目前國際上這種監測網絡已初具規模，而我國空間天氣的監測卻是相對薄弱的。從整體上講距離建設一個監測手段先進、綜合性強與國際接軌的立體監測網絡尚有較大距離。

　　2． 空間天氣變化規律的研究

　　了解變化難測的空間天氣變化規律是技術系統設計、人類活動決策和預測空間天氣事件發生的基礎。

　　空間天氣變化規律研究是當代自然科學極具挑戰性的重大前沿課題之一，它研究富于變幻的太陽活動的能量、動量和質量的產生，在行星際介質中的傳輸和與地球空間系統的相互作用過程。涉及地面實驗室無法模擬的特殊環境：高溫、高電導率、高超真空、高超音速、多種間斷面和邊界層等；涉及宏觀與微觀多種非線性過程和激變過程：如太陽耀斑、日珥、物質拋射、激波傳播、磁場重聯、電離與復合、電離成分與中性成分的動力耦合、重力波、行星波、上下層間的動力耦合等等。這些都是十分重要的基本科學問題。就了解一次空間災害性天氣事件而言，就需要把來自不同空間區域的擾動暴發現象，整合成統一的有因果時序關系的“畫面”，進行多學科綜合研究；電離層和中層大氣的研究都先后獲得過諾貝爾獎。

　　從美國空間天氣計劃看，空間天氣研究領域可分為：（1）太陽/太陽風；（2）磁層；（3）電離層/熱層系統。研究的重點是放在對預報空間天氣變化起關鍵作用的物理過程方面，主要涉及二大方面的問題：一是太陽風暴的形成、傳播與演化；二是它吹過地球時所引起的空間環境的變化。我國日地物理學家們在這些課題的研究方面已有一定的基礎，急待列入國家層次的發展計劃，才能提高整體的國際競爭能力。

　　3． 空間天氣預報

　　空間天氣預報的準確性、可靠性和及時性直接關系到減少或避免空間災害給人類活動帶來巨大損失和危害的問題。

　　它的預報水平主要取決于觀測能力和對空間天氣變化規律認識的水平。建立不同空間區域、不同參數和空間天氣事件的因果鏈研究模式是空間天氣預報的基礎，而將這些研究模式轉化為預報員使用的運作模式（Operational models）是關鍵。當前需要研制和完善的空間天氣模式主要涉及：日冕物質拋射模式、太陽耀斑模式、太陽紫外、極紫外和軟X射線模式、太陽風模式、磁層粒子和場模式、地磁擾動模式、輻射帶模式、極光模式、電離層背景、擾動、電場和閃爍中性大氣模式（熱層和中層）等等。

　　美國目前的預報水平和能力是這樣：警報——空間災害發生在24小時內，對太陽、行星際的預報能力非常有限，而對地球空間系統尚無能力滿足需求；現報——給出當時的空間天氣條件以及推演到觀測條件發生新變化前的一個短暫的天氣條件，對整個日地空間環境來說，這種能力都非常有限；預報——短期預報（幾小時到幾天）、中期預報（提前幾個月）和長期預報（長達11年太陽活動周期），對太陽、行星際和中性大氣其能力非常有限，對磁層和電離層更是無力滿足； 我國在太陽活動、地磁暴和電離層預報方面已有一定歷史集累，也做出了很好的工作。整體講，我們的預報對西方國家的觀測和預報有太多的依賴性，這是十分危險的事。

　　4．空間天氣服務

　　空間天氣學要為人類的高科技活動“保駕護航”，開展空間天氣服務，減輕或避免空間災害的損失與危害是它的終極目的。

　　空間天氣服務包括：提供空間天氣產品——常規產品：觀測數據、模式、環境規范；效應分析；專項產品——根據用戶的特定需要而進行特別加工的產品；預報產品、警報、現報、預報；效應診斷與分析——鑒別系統異常或失效是否由空間天氣因素或其他工程設計、機械故障或軟件錯誤引起；建議防護措施或改進工程設計；調整地面與空間技術系統的運作程序和采取應變措施；教育與培養——增強公眾（包括政府官員和新聞媒介）對空間天氣及其影響的意識；培養足夠數量的高素質科學與工程人員。

　　從我國的國情看，空間天氣服務遠遠落后于西方發達國家，除了全民的科技水平落后這一重要原因外，我國現行的管理體制，部門所有制等，導致缺乏宏觀調控和強有力的國家計劃指導也是重要因素。因此，要作好空間天氣服務，當務之急是需要空間天氣有關各方：科學、教育、工程、用戶和政府等，建立有效的協調工作體系，成為一種國家指導下的行為，方能事半功倍。

　　5、空間天氣的技術支撐系統

　　空間天氣信息的處理與傳輸系統是實現空間天氣學、為發展高科技“保駕護航”、發揮重要科學、經濟與社會效益的重要技術支撐系統。它的水平如何，直接關系到空間天氣學的發展速度和水平。

　　空間天氣信息包括來自全球的地面和空間的觀測數據、研究模式、用戶需用的天氣新產品（包括各類圖形和動態圖像等）、空間天氣對人類活動的影響，包括對技術系統的效應損傷與防護，用戶咨詢和訪問等等。這些龐大的種類多樣、復雜信息的實時采集、加工、處理和分析、實時運行復雜的模式、顯示和處理圖像，快速獲得、生成和傳輸空間天氣產品、新數據的獲取和模式的更新等，以及建立相應的數據庫和專家系統等。需要建立強有力的高性能的計算機系統和進行信息傳輸的網絡系統，以及不斷升級硬件和軟件來滿足不斷增長的需要。它們對于發展和建立空間天氣學來都是十分重要的技術支撐系統，它是先進與落后與否常常帶來是事半功倍還是事倍功半的截然不同的效果。

　　如果我們能解決好發展空間天氣學的上述五方面問題，我國的空間天氣學必將在不長的時期內（5-10年）走到國際的前列去，為中國和人類進入高科技的21世紀做出重要貢獻！（魏奉思 中國科學院院士）