飞向太空，探索空间环境

子午工程是我国空间天气领域第一个国家重大科技基础设施项目，也是国际上被誉为“雄心勃勃、影响深远、令人震撼”的大科学工程。这样的一条子午链将对我国空间天气基础研究及预报的发展起到举足轻重的作用，为提升我国空间科技创新能力、保障空间活动安全、增强我国在国际空间科学界的话语权做出贡献。

——空间物理学家，中国科学院院士 魏奉思

子午工程为中国空间科学搭起了一座长约3000千米的“长城”。它可以帮助科学家把地球表面、中高层大气、电离层、磁层，乃至十几个地球半径以外的行星际空间环境一次性“尽收眼底”。《探索空间天气的奥秘》一书详细介绍了空间天气、太阳风暴、子午工程、空间天气预报等基本概念，带领大家走进“远在天边、近在咫尺”的空间天气奇妙世界，值得细细品读。

——空间天气学国家重点实验室副主任、研究员 冯学尚

三个太阳在万有引力的作用下做着变幻莫测的运动，不知道哪一天太阳就不再升起，也不知道哪一天会三日凌空。文明在极寒和极热交替的灾难中一次一次地毁灭，又一次一次地重生。文明的参与者顽强地探索着三体问题的解，竭尽全力地维系着文明。当得知地球人类所处的太阳系是如此适宜生存时，他们就组建了庞大的宇宙舰队，朝这个世外桃源飞奔而来。这是科幻小说《三体》描述的文明受环境所迫和不同文明之间相互威胁的场景，着实让读者为人类的命运捏了一把汗。

虽然不用担心三日凌空，但人类赖以生存的地球能否永保平安呢？在地质变迁的历史长河中，6500万年前的生物大灭绝，就像发生在昨天一样。地球的磁场和大气避免了人类遭受太阳风的直接吹袭。但有研究表明，地磁场在过去200年间减弱了15%。如果哪天地磁场消失了，人类还能在这里生存吗？如果全球升温持续，海平面上升2米，可供人类居住的地方就不多了。如果来一次行星撞击地球，情况将更糟糕。这样的危险不胜枚举。在茫茫宇宙中，地球只是个弹丸之地。我们不能将人类的命运永远维系在这么小的球体上。

暂且不考虑人类面临的这些威胁。从古至今，探索浩瀚的太空是人类共同的梦想。宇宙究竟有多大？宇宙是如何起源的？人类是如何起源的？有没有外星人？这一连串的问题，吸引着我们“飞”向太空。

俗话说“朝霞不出门，晚霞行千里”。出门远行，要先看看天气如何。在进入太空之前，请先看看空间天气如何。因为太空并不空。那里有强烈的X射线，有可怕的紫外线辐射，有以接近光速运行的高能粒子，有比子弹还厉害万倍的空间碎片，凶险异常。从1957年苏联发射第一颗人造地球卫星开始，人类已经将6000多个航天器送入太空。尽管很多航天器都针对空间环境采取了严密的防护措施，但各种异常事件还是频频发生。深层充电、碎片撞击、氧原子剥蚀、单粒子翻转、电弧放电等，是航天器常常遇到的问题。不少卫星因为恶劣的空间天气而损毁。对美国国家航空航天局和美国空军发射的航天器的研究表明，大约有20%～25%的航天器故障与空间天气有关。所以，空间环境和空间天气是航天器设计、运行必须考虑的重要因素。

抛开太空旅行不说，人类的生产生活也受到来自空间天气的影响。人们日常使用的无线电通信、卫星导航往往依赖无线电波在电离层中的传播或者反射。太阳活动导致的电离层扰动必然会影响电波的传播和反射特性，影响无线电通信信号的稳定性和可使用的频带宽度，影响卫星导航的精度，甚至可能导致通信和导航设施失效。可以想象，在自动驾驶技术普及的将来，交通事故的罪魁祸首或许就是灾害性空间天气。

1989年的“魁北克事件”，太阳活动所导致的感应电流致使变电站被烧毁，600万人被寒冷和黑暗折磨了9个小时，造成几千万美元的损失。1859年，发生了一次太阳风暴，是一名叫卡林顿的科学家首先观测到的，故名“卡林顿事件”。这次事件造成“北半球的电报系统几乎完全瘫痪”，它的强度是1989年那次太阳风暴的3倍。而最近科学家发现近10000年以来最强的太阳风暴发生在我国唐朝时期，其强度是“卡林顿事件”的2倍，是“魁北克事件”的6倍。可这样一次超强的太阳风暴，仅仅在《旧唐书》里找到了几十个字的记载：“东方月上有白气十余道，如匹帛……三更后方散。”这里说的白气就是极光。在长安城里看到极光当然是破天荒的事，但其影响无非是让人们感受到凶兆以致恐慌。通过三次事件的对比可以看出，随着高技术系统的应用，空间天气对人类活动的影响越来越深远。如果唐朝的那次太阳风暴发生在今天会怎样？那将可能摧毁许多人造卫星，破坏无数个变电站，使我们的社会陷入极度混乱。这样强度的太阳风暴是不是像行星撞击地球那样罕见呢？不见得。2013年7月22日，美国的卫星捕捉到了一次超级太阳风暴。太阳的巨大能量爆发导致日冕物质以大约每秒3000千米的速度从太阳喷发出来。如果此次爆发的时间提前9天，那么喷发的日冕物质将直接撞击地球，产生的地磁暴强度不亚于“卡林顿事件”。国际空间研究委员会估计，这样一个超级地磁暴造成的损失将高达数万亿美元，社会恢复正常的周期长达4～10年。这一次，地球侥幸躲过了！但如果我们对空间天气不了解，不能很好地规避其影响，人类的文明就只能像三体文明一样在侥幸中喘息。

空间环境监测是了解空间天气的第一步。自从有人类文明以来，立足于地面的地基监测就开始了。近几十年，随着卫星的应用，对空间环境的天基监测也开展得如火如荼。美国、苏联、欧洲、日本等国家和地区发射了大量卫星，用于空间环境的探测与研究，也部署了复杂的地面观测系统。我国科学家基于我国领土区域特征，结合空间天气现象沿子午线传播发展的特性，创造性地提出了东半球空间环境地基综合监测子午链（简称“子午工程”）：沿东经120°和北纬30°部署地基观测设备，开展对空间环境的连续监测。经过4年多的建设，子午工程于2012年竣工。通过5年多的科学运行，获得了大量的监测数据，为科学研究和空间天气预报业务提供了有力支撑，取得了可喜的成绩。

子午工程的建成和运行，也使得空间天气的概念越来越为普通民众所熟知，全社会对空间天气的重要性有了更深刻的认识。工程的建设和运行团队抓住一切可能的机会，卓有成效地开展了空间天气科普教育活动。子午工程科学运行中心、数据中心已经成了科普教育的前沿阵地。提出并领导建设子午工程的知名科学家，在一年一度的科普活动周中，面对社会大众开展空间天气专家科普讲座，成效显著。然而，以讲座、参观等形式开展的科普活动参与人数有限，为了激发公众的科学意识，进一步提升公众对空间天气的认知度，我们借浙江教育出版社组织编写“中国大科学装置出版工程”科普丛书的机会，编写了本书。本书对空间天气的基本概念做了简单解释，对子午工程的科学构思、技术实现和运行能力做了较为全面的介绍。空间天气是20世纪90年代提出来的新概念，空间天气学科刚刚起步，还需要一代又一代的科学家去开拓探索。如果本书能吸引一些热爱科研的年轻人加入到我国空间物理、空间天气领域的科研队伍中来，也是一件很有意义的事。