“夸父計劃”與空間天氣監(jiān)測

王家敏

近二十年來,科學家們逐漸證明了空間天氣變化和地球電磁災害之間的聯(lián)系。他們頻繁警示,如果不采取行動,包括太陽風暴在內的各種空間天氣事件,將對人類的社會生活帶來災難性的破壞。

嚴重的空間天氣災害本身是一種低概率的事件,它對高度現(xiàn)代化的社會(比如北美與歐洲)影響更加顯著。但隨著社會發(fā)展,一些發(fā)展中國家也開始受到侵襲。

隨著中國社會經(jīng)濟的發(fā)展,以及航天活動的增多,科學家們意識到,必須加強對磁暴、高能粒子等危害的預報能力。中國氣象局國家空間天氣監(jiān)測預警中心主任王勁松說,“為此,我們制訂了一系列策略,一方面向公眾傳播空間天氣的概念,另一方面通過積累案例尋找空間天氣事件對特定用戶的影響,并針對性地做出預案。”

期盼當代“夸父”

包括中國在內,目前全球科學家的太陽風暴觀測與科研數(shù)據(jù)大都來自美國的三顆衛(wèi)星——SOHO、ACE和ISEE。它們處于地日引力平衡點——L1點上,這個最佳位置能24小時觀測太陽風暴變化與地球的實時反應。

令科學家們擔憂的是,ACE探測器正在失效;于1992年發(fā)射的SOHO也面臨退役。并且,它們搜集的信息也并不能做到完全、隨時共享——比如在2003年的美伊戰(zhàn)爭期間美國就暫停了對數(shù)據(jù)的開放。

在此情況下,中國科學家開始考慮一個新的觀測計劃。

2003年1月24日,在中國國家自然科學基金委地學部“關于推動空間天氣研究座談會”上,北京大學地球與空間科學學院涂傳詒院士公布了一個名為“夸父計劃”的大膽構想,提出要建立一個衛(wèi)星綜合觀測系統(tǒng),觀測空間天氣事件從太陽到地球的整體、連續(xù)變化現(xiàn)象,提高空間天氣災害預報的準確度,服務于航天、通訊等高科技活動。

在此之前,涂傳詒與北京大學地球與空間科學學院教授肖佐、中國東方紅航天衛(wèi)星公司總工程師張永維和中國科學院院士魏奉思進行了將近一年的討論。這一計劃在那次會議上得到普遍的支持。

隨后,“夸父計劃”成為中國國家自然科學基金委支持的重點項目。

2007年9月,該計劃通過了國防科工委的相關評審,進入工程立項階段。根據(jù)國防科工委建議,“夸父計劃”與中國科學院空間科學與應用研究中心劉振興院士建議的“風暴計劃”進行了整合,最終形成了“夸父—太陽風暴、極光和空間天氣計劃”。

這一計劃鎖定在太陽的深空探測,將采用“L1+極軌”的全新協(xié)同軌道設計,由一顆位于日地引力平衡點L1點上的衛(wèi)星“夸父A”和兩顆沿極軌共軛(南、北極)飛行的衛(wèi)星“夸父B1”“夸父B2”組成綜合觀測系統(tǒng),將用于連續(xù)監(jiān)測太陽劇烈活動及其導致的日地空間環(huán)境連鎖變化的全過程。

肖佐告訴《中國新聞周刊》,“夸父計劃”將對日地空間天氣系統(tǒng)的兩端——太陽大氣和地球空間——進行前所未有的時空連續(xù)、多層次的成像觀測,“三顆衛(wèi)星能分別同時觀測太陽風暴的形成和地球的即時反應,這是以往的觀測衛(wèi)星難以做到的”。

2012年至2014年太陽進入活動峰年,更多的太陽風暴將襲擊地球。因此,科學家建議“夸父計劃”三顆衛(wèi)星在這個時間內發(fā)射,將能觀測到新的日地物理現(xiàn)象,進一步揭示日地空間風暴機理,監(jiān)測行星際擾動傳播,為災害性空間環(huán)境預報提供觀測數(shù)據(jù)。

認識“空間天氣”

“在空間天氣預警方面,我們主要依靠國外的資料,這與中國相關的探測研究起步晚有很大關系?！敝袊茖W院院士魏奉思告訴《中國新聞周刊》,發(fā)達國家的相關部門往往是主動尋求預報,但在中國由于實踐和認識方面的原因,有些部門有可能對空間天氣災害的預估過于樂觀。

美國是最關注空間天氣的國家之一。早在1970年代初,“空間天氣”(space weather)這一詞匯就出現(xiàn)在美國空間物理學家M.Dryer博士的《太陽活動觀測和預報》的序言中。美蘇爭霸中,美國在“空間疆域”的爭奪中投入巨大。冷戰(zhàn)結束后,空間天氣研究逐漸轉向和平應用。1995年,美國制定國家空間天氣戰(zhàn)略計劃,“空間天氣”也迅速發(fā)展為一個相對新的科學領域。

美國宇航局2006年至2016年的戰(zhàn)略計劃中特別指出,“空間天氣對人類的危害越來越明顯,因此認識并降低空間天氣對人類的危害效應迫在眉睫?！?/p>

魏奉思是中國較早關注“空間天氣”的科學家之一。他1991年就提出建立“空間天氣和氣候學”的問題應提到空間物理學家們的議事日程;1993年更指出:“空間天氣學必將在人類跨世紀的步伐中應運而生。”但中國社會對空間天氣科學重要性的認識以及在國家行為方面相對于美、歐國家滯后,尚處于起步發(fā)展階段。

1994年開始的“子午工程”是有關空間天氣研究的一項國家級工程項目。這一工程在2009年～2010年間正式建成,全稱為“東半球空間環(huán)境地基綜合監(jiān)測子午鏈工程”,旨在了解東半球120°E子午鏈上空間環(huán)境變化規(guī)律,逐步弄清其120°E子午鏈區(qū)域性環(huán)境特征與全球環(huán)境變化間的關系,為研究與預測空間天氣變化提供地基觀測數(shù)據(jù)。航天部門成功實施的地球“雙星”計劃則承擔了一部分空間數(shù)據(jù)觀測任務。此外,“夸父”空間天氣探測計劃也正進入工程立項的推動之中。據(jù)悉,中國也有一些衛(wèi)星搭載著監(jiān)測空間環(huán)境變化的儀器,提供部分觀測數(shù)據(jù)。

包括這些項目在內,科學家們正在建議中國應構建空間天氣保障體系。魏奉思告訴《中國新聞周刊》記者,《空間天氣保障能力發(fā)展戰(zhàn)略建議》已經(jīng)呈送,其中空間天氣保障體系建設“三步走”的戰(zhàn)略步驟:夯實基礎,聚焦近地空間(2009-2015);跨進前列,建設地球空間天氣保障體系(2016-2020);引領發(fā)展,建設日地系統(tǒng)空間天氣保障體系(2021-2030)。

魏奉思說,當前的核心是加速推進“夸父計劃”和在“子午工程”一期基礎上加速建設子午工程二期,“我們希望從起步開始有一個好的國家體制和機制,可以從成立國家空間天氣計劃協(xié)調小組做起,少走分散、重復的發(fā)展彎路。”

人類“與星同在”

人們往往采取國際合作的方式完成龐大的空間科研計劃,中國也不例外。2006年1月12～13日,“夸父計劃”國際研討會在德國林道(Lindau)召開,進一步明確了有效載荷的配置、技術指標以及國際合作的途徑。2007年1月7日,中國航天局、歐洲空間局(ESA)、加拿大空間局(CSA)和英、法、德、意、比、奧等10個國家的空間探測部門的代表在三亞召開了“夸父計劃”國際協(xié)調會議,確定了需要進一步會談的問題。

肖佐介紹,“一些歐盟、加拿大等國家和地區(qū)的科學家以個人名義表示要參加這一計劃。在科學儀器配置方案中,所有儀器都有國際合作。歐空局、加拿大航天局也表示出積極支持和合作意愿?！?/p>

“夸父計劃”同時也參與了美國宇航局(NASA)的“與星同在” (Living with a Star,LWS)國際計劃。這一計劃始于2001年,基本策略與地球上的天氣研究類似?！拔覀儗l(fā)射一系列的‘氣象站,也就是觀測太陽大氣不同方面的航天器?！表椖控撠熑薌uhathakurta說,“這一計劃目標在于幫助人們了解太陽的大氣,尤其是太陽風暴的預報方法?！?/p>

人類的頭頂上有超過500顆現(xiàn)役衛(wèi)星正環(huán)繞地球運行,保障人類完成電視、廣播、電話、互聯(lián)網(wǎng)、GPS導航以及天氣預報工作,現(xiàn)在,是需要保障它們的時候了。 ★