科学家要摸摸太阳的脾气——记2005年当选院士魏奉思(58级)

●● 中国科学院空间科学与应用研究中心研究员魏奉思等科研人员,以实际观测数据及物理和数学领域相关原理为基础,提出一种综合性的“ISF”预测方法,用它对太阳风暴能否“吹”到地球、其到达时间及造成的地磁活动大小等进行的试验研究,取得了良好效果。

据介绍,太阳风暴由太阳日冕物质抛射引起,吹过地球常使空间环境中的带电粒子流量、电离层通信条件和地磁场等出现突发性变化,可给卫星运行、通信、导航、输电及人类健康等造成重大危害或损伤。近几年来,空间天气特别是灾害性天气事件的预报,已成为全球科技热点之一。

魏奉思说,作为太阳风暴引起地球空间环境急速变化的一种重要指示,地磁扰动成为空间天气预报研究的一项重要内容,也是多少年来日地物理学家面前的一大难题。这种预报手段可通过统计预报、物理预报、数值预报及其综合性方法加以实现。当前应用以统计或经验为主,但综合性方法却是“必然的发展趋势”。

他说,我国科研单位如中科院、相关高校、信息产业部、地震局等,都有这一领域研究的基础。他和同事一起也就此进行了探索,并以相关观测、物理和数学领域研究为基础,提出了一种综合性的“ISF”方法,用这一方法对太阳风暴能否“吹”到地球、其到达时间及造成的地磁活动大小等进行的试验研究,经检验效果良好。

其中,观测基础为1966~1982年期间有关太阳活动、行星际扰动和地磁扰动的观测数据。物理基础为太阳风暴的各向异性传播特征和不同能量的减速过程两个重要的动力学效应,并计入行星际磁场南向分量的影响从而得到定性的太阳风暴传播的三维特性。又由于太阳风暴源头的多样性、行星际传播条件的复杂性及行星际闪烁观测本身的局限性,太阳风暴的证认具有一定的模糊性,他们引入和应用了模糊数学中的“模糊集”概念,作为研究的数学基础。

魏奉思介绍,他们首先用模糊集概念来建立太阳风暴事件的从属函数,从而挑选出“可参照性”最高的射电源,然而根据其观测数据的变化,进行太阳风暴的“过境”预报。研究小组用这一“ISF”方法,对1980~1998年间观测较完整的24个规模较大、曾引起空间灾害性事件的地磁暴进行了独立预报试验。经查找地磁扰动资料进行对比分析,对太阳风暴到达地球时间和带来磁扰幅度的预报,其相对误差都控制在较好水平。

他说,与“激波到达时间(STOA)”、“行星际激波传播(ISPM)”等近年发表的几种国际流行模型相比,“ISF”方法在太阳风暴到达时间预报方面“取得了较好的初步进展”,但要在真正的业务预报中取得进展,“还有很长的路要走”。

魏奉思说,提高空间天气预报的能力已成为当前有关重大国际计划的三项主要任务之一,如美国“与星同在”计划,国际科联所属日地物理委员会的“国际日地系统气候和天气计划?CAWSES,2004-2008?”等。我国的“双星计划”、“子午工程”,也都将为此做出贡献。

●● 近日有媒体报道,我国将开展“空间天气预报”,届时人们将可以同收听雨、雪、气温等常规预报一样,每天获得有关太空对人们生活影响的信息。

魏奉思院士告诉记者:“我国一直紧跟国际空间天气研究潮流,像被列为国家重大项目的‘日地系统灾害性扰动过程及其对人类活动影响’和‘东半球空间环境地面综合监测子午链工程’及我们实验室,都是国家为提高我国对空间天气变化规律的研究而设立的。”

不过,目前我国的空间天气研究还有许多不足。魏主任认为:“作为一门实验性科学,我国在空间天气的检测手段上还很缺乏,不仅没有专业卫星,而且地面监测设备也比较落后,在技术支撑方面更是如此,大量数据信息没有相匹配的计算机来分析,当然研究队伍规模偏小、中年专家断代等也是一大问题。要解决这些问题,就必须把松散的力量联合起来,成立国家级研究协调机构,建立我国独立的空间天气综合监测网,而这些都需要巨大投资,只有上升到国家行为才能实现。”

●● 一颗价值超过20亿元的卫星已被列入发射计划,这颗被称为“太阳空间望远镜”的卫星,将用于预报太阳磁场的变化和“太阳风暴”等“空间天气”情况,它是中国最昂贵的空间探测器。

魏奉思院士对记者说,空间天气不同于气象学家作出的大气层内的天气预报,它针对大气层外至太阳这一空间。卫星失效和发生故障,40%与空间天气有关。比如,1995年,亚太2号通信卫星因高空切变风导致爆炸;1997年,美国一颗价值两亿美元的通信卫星因恶劣的空间天气而失效。