王赤

子午工程是我國(guó)空間天氣領(lǐng)域第一個(gè)國(guó)家重大科技基礎(chǔ)設(shè)施項(xiàng)目，也是國(guó)際上被譽(yù)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(duì)我國(guó)空間天氣基礎(chǔ)研究及預(yù)報(bào)的發(fā)展起到舉足輕重的作用，為提升我國(guó)空間科技創(chuàng)新能力、保障空間活動(dòng)安全、增強(qiáng)我國(guó)在國(guó)際空間科學(xué)界的話語(yǔ)權(quán)做出貢獻(xiàn)。

——空間物理學(xué)家，中國(guó)科學(xué)院院士 魏奉思

子午工程為中國(guó)空間科學(xué)搭起了一座長(zhǎng)約3000千米的“長(zhǎng)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(gè)地球半徑以外的行星際空間環(huán)境一次性“盡收眼底”?！短剿骺臻g天氣的奧秘》一書(shū)詳細(xì)介紹了空間天氣、太陽(yáng)風(fēng)暴、子午工程、空間天氣預(yù)報(bào)等基本概念，帶領(lǐng)大家走進(jìn)“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(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室副主任、研究員 馮學(xué)尚

三個(gè)太陽(yáng)在萬(wàn)有引力的作用下做著變幻莫測(cè)的運(yùn)動(dòng)，不知道哪一天太陽(yáng)就不再升起，也不知道哪一天會(huì)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(qiáng)地探索著三體問(wèn)題的解，竭盡全力地維系著文明。當(dāng)?shù)弥厍蛉祟?lèi)所處的太陽(yáng)系是如此適宜生存時(shí)，他們就組建了龐大的宇宙艦隊(duì)，朝這個(gè)世外桃源飛奔而來(lái)。這是科幻小說(shuō)《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(chǎng)景，著實(shí)讓讀者為人類(lèi)的命運(yùn)捏了一把汗。

雖然不用擔(dān)心三日凌空，但人類(lèi)賴以生存的地球能否永保平安呢？在地質(zhì)變遷的歷史長(zhǎng)河中，6500萬(wàn)年前的生物大滅絕，就像發(fā)生在昨天一樣。地球的磁場(chǎng)和大氣避免了人類(lèi)遭受太陽(yáng)風(fēng)的直接吹襲。但有研究表明，地磁場(chǎng)在過(guò)去200年間減弱了15%。如果哪天地磁場(chǎng)消失了，人類(lèi)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(lèi)居住的地方就不多了。如果來(lái)一次行星撞擊地球，情況將更糟糕。這樣的危險(xiǎn)不勝枚舉。在茫茫宇宙中，地球只是個(gè)彈丸之地。我們不能將人類(lèi)的命運(yùn)永遠(yuǎn)維系在這么小的球體上。

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

俗話說(shuō)“朝霞不出門(mén)，晚霞行千里”。出門(mén)遠(yuǎn)行，要先看看天氣如何。在進(jìn)入太空之前，請(qǐng)先看看空間天氣如何。因?yàn)樘詹⒉豢铡Ｄ抢镉袕?qiáng)烈的X射線，有可怕的紫外線輻射，有以接近光速運(yùn)行的高能粒子，有比子彈還厲害萬(wàn)倍的空間碎片，兇險(xiǎn)異常。從1957年蘇聯(lián)發(fā)射第一顆人造地球衛(wèi)星開(kāi)始，人類(lèi)已經(jīng)將6000多個(gè)航天器送入太空。盡管很多航天器都針對(duì)空間環(huán)境采取了嚴(yán)密的防護(hù)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(wèn)題。不少衛(wèi)星因?yàn)閻毫拥目臻g天氣而損毀。對(duì)美國(guó)國(guó)家航空航天局和美國(guó)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(jì)、運(yùn)行必須考慮的重要因素。

拋開(kāi)太空旅行不說(shuō)，人類(lèi)的生產(chǎn)生活也受到來(lái)自空間天氣的影響。人們?nèi)粘Ｊ褂玫臒o(wú)線電通信、衛(wèi)星導(dǎo)航往往依賴無(wú)線電波在電離層中的傳播或者反射。太陽(yáng)活動(dòng)導(dǎo)致的電離層擾動(dòng)必然會(huì)影響電波的傳播和反射特性，影響無(wú)線電通信信號(hào)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?？梢韵胂螅谧詣?dòng)駕駛技術(shù)普及的將來(lái)，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(yáng)活動(dòng)所導(dǎo)致的感應(yīng)電流致使變電站被燒毀，600萬(wàn)人被寒冷和黑暗折磨了9個(gè)小時(shí)，造成幾千萬(wàn)美元的損失。1859年，發(fā)生了一次太陽(yáng)風(fēng)暴，是一名叫卡林頓的科學(xué)家首先觀測(cè)到的，故名“卡林頓事件”。這次事件造成“北半球的電報(bào)系統(tǒng)幾乎完全癱瘓”，它的強(qiáng)度是1989年那次太陽(yáng)風(fēng)暴的3倍。而最近科學(xué)家發(fā)現(xiàn)近10000年以來(lái)最強(qiáng)的太陽(yáng)風(fēng)暴發(fā)生在我國(guó)唐朝時(shí)期，其強(qiáng)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(qiáng)的太陽(yáng)風(fēng)暴，僅僅在《舊唐書(shū)》里找到了幾十個(gè)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(shuō)的白氣就是極光。在長(zhǎng)安城里看到極光當(dāng)然是破天荒的事，但其影響無(wú)非是讓人們感受到兇兆以致恐慌。通過(guò)三次事件的對(duì)比可以看出，隨著高技術(shù)系統(tǒng)的應(yīng)用，空間天氣對(duì)人類(lèi)活動(dòng)的影響越來(lái)越深遠(yuǎn)。如果唐朝的那次太陽(yáng)風(fēng)暴發(fā)生在今天會(huì)怎樣？那將可能摧毀許多人造衛(wèi)星，破壞無(wú)數(shù)個(gè)變電站，使我們的社會(huì)陷入極度混亂。這樣強(qiáng)度的太陽(yáng)風(fēng)暴是不是像行星撞擊地球那樣罕見(jiàn)呢？不見(jiàn)得。2013年7月22日，美國(guó)的衛(wèi)星捕捉到了一次超級(jí)太陽(yáng)風(fēng)暴。太陽(yáng)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(yáng)噴發(fā)出來(lái)。如果此次爆發(fā)的時(shí)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(qiáng)度不亞于“卡林頓事件”。國(guó)際空間研究委員會(huì)估計(jì)，這樣一個(gè)超級(jí)地磁暴造成的損失將高達(dá)數(shù)萬(wàn)億美元，社會(huì)恢復(fù)正常的周期長(zhǎng)達(dá)4～10年。這一次，地球僥幸躲過(guò)了！但如果我們對(duì)空間天氣不了解，不能很好地規(guī)避其影響，人類(lèi)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(cè)是了解空間天氣的第一步。自從有人類(lèi)文明以來(lái)，立足于地面的地基監(jiān)測(cè)就開(kāi)始了。近幾十年，隨著衛(wèi)星的應(yīng)用，對(duì)空間環(huán)境的天基監(jiān)測(cè)也開(kāi)展得如火如荼。美國(guó)、蘇聯(lián)、歐洲、日本等國(guó)家和地區(qū)發(fā)射了大量衛(wèi)星，用于空間環(huán)境的探測(cè)與研究，也部署了復(fù)雜的地面觀測(cè)系統(tǒng)。我國(guó)科學(xué)家基于我國(guó)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(cè)子午鏈（簡(jiǎn)稱(chēng)“子午工程”）：沿東經(jīng)120°和北緯30°部署地基觀測(cè)設(shè)備，開(kāi)展對(duì)空間環(huán)境的連續(xù)監(jiān)測(cè)。經(jīng)過(guò)4年多的建設(shè)，子午工程于2012年竣工。通過(guò)5年多的科學(xué)運(yùn)行，獲得了大量的監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)，為科學(xué)研究和空間天氣預(yù)報(bào)業(yè)務(wù)提供了有力支撐，取得了可喜的成績(jī)。

子午工程的建成和運(yùn)行，也使得空間天氣的概念越來(lái)越為普通民眾所熟知，全社會(huì)對(duì)空間天氣的重要性有了更深刻的認(rèn)識(shí)。工程的建設(shè)和運(yùn)行團(tuán)隊(duì)抓住一切可能的機(jī)會(huì)，卓有成效地開(kāi)展了空間天氣科普教育活動(dòng)。子午工程科學(xué)運(yùn)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(dòng)周中，面對(duì)社會(huì)大眾開(kāi)展空間天氣專(zhuān)家科普講座，成效顯著。然而，以講座、參觀等形式開(kāi)展的科普活動(dòng)參與人數(shù)有限，為了激發(fā)公眾的科學(xué)意識(shí)，進(jìn)一步提升公眾對(duì)空間天氣的認(rèn)知度，我們借浙江教育出版社組織編寫(xiě)“中國(guó)大科學(xué)裝置出版工程”科普叢書(shū)的機(jī)會(huì)，編寫(xiě)了本書(shū)。本書(shū)對(duì)空間天氣的基本概念做了簡(jiǎn)單解釋?zhuān)瑢?duì)子午工程的科學(xué)構(gòu)思、技術(shù)實(shí)現(xiàn)和運(yùn)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(lái)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(kāi)拓探索。如果本書(shū)能吸引一些熱愛(ài)科研的年輕人加入到我國(guó)空間物理、空間天氣領(lǐng)域的科研隊(duì)伍中來(lái)，也是一件很有意義的事。