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空间天气研究领域覆盖了太阳大气、行星际空间和地球空间(磁层、电离层和中高层大气)的日地耦合系统。 空间天气研究要求把不同空间区域的过程作为一个有机链进行整体性研究,它已成为全世界众多基础科学领域共同面临的重大前沿难题之一。无论从实施的国际日地物理计划(ISTP)、日地能量计划(STEP)还是正在和将要实施的与星同在计划(Living With a Star)及国际与星同在计划、日地系统空间气候与天气计划(Climate and Weather of the Sun-Earth System)等,空间天气研究都是它们组织多学科交叉、协同攻关、去夺取重大原创性新成就的重大科学前沿领域。空间天气研究是国际空间科学的重要前沿新领域、新方向之一,具有重大的科学意义,同时也是目前发展高科技和国防现代化的急需,有重大应用前景的研究方向。

作为空间灾害性天气预报的科学基础,日地空间天气基本物理过程及其规律是当代日地空间物理研究中极富挑战的综合性课题。当前空间天气预报的水平与实际需求还有较大差距,主要原因在于我们对太阳风暴(太阳耀斑、CME等)产生的机制,太阳风暴在行星际空间的传播规律,以及太阳风和地球空间的相互作用过程缺乏深入的了解。为解决这一难题,一方面是要大力开展空间探测,针对日地空间关键的区域和空间天气连锁变化过程进行监测;另一方面需要进行理论研究和建立相关物理模式。美国在2006年到2035年的空间物理和太阳系空间环境探测领域中规划了一系列的从太阳-行星际-地球空间的探测计划,日地联系的探测成为国际空间探测的主要方向。随着我国综合国力的增强,空间天气的探测(包括天基和地基)在“十一五”期间迎来了历史性的机遇。最近以北京大学涂传诒院士为首的研究团队提出了“夸父计划”被国防科工委批准进行综合论证。“夸父计划”是由“L1+极轨”的三颗卫星组成的一个空间观测系统:位于地球与太阳连线引力平衡处第一拉格朗日点(即L1点)上的夸父A星和在地球极轨上共轭飞行的夸父B1、B2星。夸父A星的有效载荷将对太阳日冕过程进行遥感探测和对L1点的太阳风(等离子体和磁场)进行就地观测。夸父B1和夸父B2星的配置使之能够一天24小时连续观测极光活动以及高能粒子环境。三颗卫星的联测将完成从太阳大气到近地空间完整的扰动因果链探测,包括:太阳耀斑、日冕物质抛射(CME)、行星际磁云、行星际激波以及它们的地球物理效应,比如磁层亚暴、磁暴以及极光活动。 “夸父计划”预计在下一个太阳极大年(2010-2012)发射。在地基方面,以侧重磁层-电离层-中高层大气耦合的“子午工程”在2005年8月已正式批准立项,预计在2005年完成建设。“夸父计划”和“子午工程”的相互配合将构成从太阳-行星际-地球空间天气过程的完整的天地一体化的监测体系。

重大空间探测计划离不开理论研究和建模。迄今为止,针对典型的空间灾害性天气事件,从太阳表面太阳风暴驱动源出发,贯穿日地空间,最终到地球空间的基于物理规律的整体数值模式,在国际上正处于起步阶段,美国基金委重点支持了以波士顿大学牵头联合几个大学组成了的空间天气集成模型中心(CISM),他们的目标是在2010左右完成初步的空间天气集成的数值模型。考虑到我们的工作基础和研究力量,我们侧重于日地空间天气基本物理过程,数值和经验模式相结合的预报模式和方法的研究,而集成的数值模式主要集中在太阳-行星际-磁层耦合的数值模式方面。集成的太阳-行星际-磁层数值模式是空间天气预报模式研究的前沿领域,我们的目标是建立有自主知识产权的集成空间天气预报模式,配合“夸父计划”和“子午工程”的数据分析,做出有重大国际影响的科研成果,在国际空间天气研究领域占有一席之地。

 

 


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空间天气学国家重点实验室 国家自然基金委

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