軍事空間天氣學

研究軍事需求和空間天氣相互關係的學科。以探測為基礎，研究並預報地球表面20～30千米以上日地空間中給地面、空中和空間軍事技術系統、作戰行動和參戰人員身體健康帶來明顯影響的物質狀態的變化規律，並研究為軍事活動和國防現代化建設提供空間天氣保障的方法。日地空間由太陽大氣、行星際空間、磁層、電離層和中高層大氣組成。各組成部分在結構上和物理性質上均有明顯差異，構成了軍事空間天氣學的研究對象。軍事空間天氣學研究的目的是為國家安全、航天和空間開發等活動服務。在軍事上，它對於解決空間天氣條件的軍事利用，尤其是空間軍事活動的支持及保障具有重要意義。對於在信息化戰爭中以網路為中心的陸、海、空、天、網路電磁一體化聯合作戰的軍事指揮、控制、通信、對抗、情報、偵察、監視將起重要作用。軍事空間天氣學研究內容主要涉及三個領域，即理論領域、技術領域和軍事套用領域。主要研究空間天氣變化規律及其軍事套用的理論，是軍事空間天氣學的理論核心，也是當代自然科學重大前沿課題之一。它研究日地空間環境中來自太陽的能量、動量和質量的產生過程，以及它們在行星際空間的傳輸和在地球空間中的耗散過程。它涉及五個物理性質不同的空間區域：中高層大氣、電離層、磁層、行星際空間和太陽大氣。從物質成分上來看，中高層大氣主要由中性氣體分子組成，電離層主要由部分電離的電漿組成，磁層、行星際空間和太陽大氣則由完全電離的電漿組成，它們處於與磁場的相互作用之中。發生在太陽大氣中的種種活動，如太陽耀斑、日冕物質拋射、太陽電磁輻射爆發等，會在日地空間導致各種事件或擾動，如磁層亞暴、極光、磁暴、地磁擾動、電離層突然騷擾、中高層大氣擾動等。研究這五個區域的空間天氣現象及過程的發生、發展和演變規律及其相互耦合作用，是軍事空間天氣學的重要內容。軍事空間天氣學涉及包括高溫、高導電率、高超音速、變化範圍極大的電漿動壓力/磁壓力比值、多種間斷面和邊界層（如磁層頂、電漿層頂）等因素的特殊的物理環境，涉及巨觀和微觀多種非線性過程和激變過程。太陽活動是形成空間天氣現象或事件的激發源，從激發到演變為天氣現象或事件過程的研究，是空間天氣變化規律研究的重點。它需要把太陽活動、行星際擾動與傳播、磁層擾動，以及電離層和中高層大氣的擾動整合成統一的、有因果時序關係的耦合系統，進行多學科深層次的綜合研究。太陽活動產生及發展過程機理，行星際傳播，磁層、電離層和中高層大氣對太陽活動的回響，以及它們之間的相互作用規律等研究，是軍事空間天氣學的基本問題。軍事套用涉及各種輻射、磁場擾動與空間平台、空間和地面技術系統的相互作用，空間介質變化對無線電波及空間飛行器的作用，以及磁暴對軍事設施、電力系統、油氣管道影響等，也是軍事空間天氣學研究的重要方面。主要涉及空間探測技術、航天技術、信息技術、探測儀器、探測平台（統稱探測裝備）及探測數據分析。空間探測是形成和發展軍事空間天氣學的基礎。探測資料為理論研究、套用建模、預報預警、效應分析提供基礎數據。軍事空間天氣探測的特點包括：①觀測範圍大。整個觀測的空間尺度達1天文單位（1.495×108千米）以上。有時為了進行比較研究，還要觀測其他行星附近的空間結構和物質。②觀測現象和要素多。涉及各種太陽活動、行星際太陽風擾動、行星際磁場方向變化、磁暴和磁層亞暴、粒子沉降、輻射帶變化、電離層擾動、極光、空間電場和電流系統變化、宇宙線強度變化、中高層大氣成分變化和密度、溫度、風場擾動等。所有這些要素幾乎都不能在地面實驗室內復現，必須用儀器在現場診斷或遠程間接測量。③探測環境複雜。涉及空間電漿、空間電場磁場、空間輻射、微重力、中性氣體等多種特殊物理環境。相應的空間尺度和時間尺度變化範圍大，尺度從行星際空間的100萬千米到中高層大氣的1千米左右，如激波擾動、中高層大氣波動等。擾動的時間尺度可從幾分鐘、幾小時、晝夜、季節和27天、11年、22年直至80年太陽活動周期等。主要涉及軍事空間天氣信息技術、軍事空間天氣預報、人工影響局部空間天氣、空間天氣軍事效應、軍事空間天氣保障等。①軍事空間天氣信息技術。空間天氣數據的收集、處理、分發和套用。主要收集全球歷史的、當今的和實時的觀測數據，運用現代科學方法進行數據處理，根據實際需要建立數據分發網路，利用自動化傳輸系統將數據傳送給用戶。空間天氣數據的軍事套用主要是支持軍事空間天氣學的理論研究、長期空間氣候學研究、重大國防基礎設施建設的環境評估、軍事行動決策，以及空間天氣預報、現報和警報等。②軍事空間天氣預報。根據軍事需要，對某一區域未來一定時段內的空間天氣變化作出的預測和報告。包括長期預報（幾個月到數年）、中期預報（幾天到幾個月）、短期預報（幾小時到幾天）、現報（當時）和警報。軍事空間天氣預報是軍事空間天氣保障的重要內容。其準確性主要取決於空間天氣探測能力和掌握空間天氣變化規律的水平。利用觀測數據和變化規律建立空間天氣現象或事件的因果鏈模型，是空間天氣預報的基礎，將空間天氣模型轉移到預報中心成為預報員的預報作業模式是實施空間天氣預報的關鍵。空間天氣預報所依據的常用模型有：太陽活動水平預報模型，日冕物質拋射模型，太陽耀斑爆發模型，太陽質子事件預報模型，磁層亞暴、磁暴和地球輻射帶模型，電離層及其騷擾和電離層暴的預報模型，中高層大氣預報模型等。預報作業模式是預報員以實際觀測為輸入，利用簡單、快捷的處理機制，為用戶提供預報和服務。對不同的預報對象有不同的預報模式。③人工影響局部空間天氣。用物理和化學的方法改變局部空間天氣狀態的理論和技術。目的是改變無線電通信信道、飛行器運行環境和感測器與成像系統的目標識別背景。如可用高能量電波改變電離層的熱狀態，用化學劑改變電離層的離子成分和中性粒子的含量，發射碎片物質改變空間碎片的分布和運行狀態等。人工影響局部空間天氣的軍事意義是創造特殊的攻防條件，為軍事行動的順利展開提供有利環境。④空間天氣軍事效應。空間天氣對天基、空基與地基技術系統、武器裝備、軍事活動及人員的作用效果。各種空間天氣現象或事件對軍事活動產生影響的分析及評估，是軍事空間天氣學重要的套用研究。如一次太陽爆發可能會引起磁暴、電離層暴以及空間輻射增強等事件，將會導致短波通信中斷、衛星通信信號及導航信號閃爍、高緯地區電力系統故障、在軌衛星失效機率增大等。分析評估影響的類型、範圍及等級，可為軍事活動提供決策支持。⑤軍事空間天氣保障。為軍隊遂行作戰、訓練、國防科研試驗和其他任務提供所需的軍事空間天氣信息和應對措施的專業活動。目的是保障部隊正確利用空間天氣條件，防範不利空間天氣條件的危害，充分發揮軍用太空飛行器、武器裝備及軍事技術系統的效能，保持和提高部隊戰鬥力，保障部隊順利遂行任務。軍事空間天氣學是一門套用學科，其研究對象是廣袤的空間，具有以下特點：注重多區域、多項目、多手段的觀測結果綜合分析；以物理學的概念、理論、公式和數學方法進行推演，探尋空間天氣過程的物理機制，建立空間天氣模型；以統計的、物理的或數值的方法建立預報模型；利用仿真技術進行空間天氣效應分析。軍事空間天氣學是空間天氣學在軍事領域的延伸，是多種學科交叉、基礎學科與套用學科相融合的綜合學科，其學科理論形成的基礎是太陽物理學、日地空間物理學和地球物理學等。太陽物理學為其提供作為空間天氣現象或事件發生源的太陽活動的物理機制、演化規律；日地空間物理學為其描繪日地之間空間天氣現象或事件的因果鏈聯繫，探求太陽爆發的物質和能量通過行星際空間向地球空間的耦合過程，以及對地球磁層、電離層形態的影響和產生的各種次效應；地球物理學為其研究太陽爆發的物質和能量對地球磁場、電場和電流以及中高層大氣形態的影響和產生的各種次效應。軍事空間天氣學重視套用，因此與航天技術、計算數學、電子學、空間生命科學、軍事信息技術、軍事通信技術等學科關係密切。作為一門軍事保障性學科，它必須與軍事氣象學、軍事海洋水文學、軍事地理學及軍事測繪學等學科緊密結合，才能形成空間和時間上的無縫隙軍事保障。總之，諸多學科的研究成果促進了軍事空間天氣學的形成和發展，軍事空間天氣學的發展也拓展了上述學科的研究領域。軍事空間天氣學是基於軍事需要，特別是信息化戰爭的需要，在空間天氣研究和軍事學的基礎上形成的。人類探測和認識空間有悠久的歷史。最早是從對地磁和太陽黑子等的觀測開始的。中國在公元前250年左右使用了具有地磁效應的“司南”――指南針，前140年就有關於太陽黑子的觀測記載。直到14世紀末，多數觀測都是用肉眼或簡單裝置進行，獲得空間變化的一些證據。1600年，英國人W.吉爾伯特在《論磁石、磁體和地球大磁石》一書中首先提出了“地球是一個大磁石”的地磁場起源假說。1610年伽利略發明望遠鏡後，西方開始有了太陽黑子的儀器觀測記錄。1839年，德國人C.F.高斯首次將位移理論和球諧分析方法用於地磁場分析，得到了“地磁場起源於地球內部”的重要結論，同時指出高層大氣中可能存在導電的電離區域。此後，各國開始有計畫地建立地磁觀測台鏈。中國最早的永久性的磁台建於1874年，是全球為數不多的超過百年歷史的台站之一。1902年，美國人A.E.肯內利和英國人O.亥維賽基於無線電信號跨大西洋傳播的實驗事實，分別提出了高空存在反射無線電波的電離層的假說。1908年G.E.海耳由黑子中光譜塞曼分裂首次診斷出黑子的強磁場本質，開始了太陽磁場的觀測。1924年，英國人E.V.阿普爾頓和紐西蘭人M.A.F.巴尼特通過實驗首先證實了電離層的存在。1931年，英國人S.查普曼提出了電離層的形成理論。在同一時期，他和費拉羅發現太陽噴發的帶電粒子流具有高導電性，可把地磁場禁止起來形成一個空腔，預言了磁層的存在。20世紀30年代，基於法國人B.里奧發明的偏振干涉濾光器，發展了單色光太陽觀測，並且通過日全食時日冕的觀測，發現日冕層溫度高達幾百萬度；同時世界各地開始建立以測高儀為主要設備的電離層觀測站。第二次世界大戰中，英國軍用雷達接收到太陽射電波段的輻射信號，使太陽觀測擴展到射電波段。40年代，美國發展了用氣球攜帶設備在高空觀測太陽外層大氣高溫（短波）輻射的技術。50年代以前歷史上逐漸形成的空間觀測方法、觀測手段和地面上建立的觀測台站，積累了一定的資料和經驗，初步揭示了太陽黑子、電離層、極光的基本形態以及磁偏角和磁傾角等重要的地磁場特性，提出了地磁、電離層和極光等的形成理論，為軍事空間天氣學的誕生做了知識準備。50年代第一顆人造地球衛星發射以來，人類進入了開發、利用空間的時代。許多國家基於國家利益的長遠發展戰略，為了更好地了解和開發空間資源，相繼建立了相應的研究機構，開展日地空間研究，並將探測手段迅速向天基發展。50～60年代，國際上用探險者、行星際監視（IMP）等系列衛星對空間進行了大規模的普遍探測，發現了地球磁層頂、磁尾、舷激波和地球輻射帶。地基觀測也有較大發展，建立了包括極區在內的不同地理位置上的太陽觀測站、地磁台、電離層觀測站、大功率非相干散射雷達站、高空探測火箭發射場等探測鏈或探測網。太陽觀測發現了爆發型太陽活動在射電波段和日冕中的表現以及太陽的磁場活動；地磁觀測發現了磁暴和磁層亞暴的規律；電離層觀測發現了電離層暴和電離層突然騷擾的規律。為了收集、融合及分發使用探測數據，建立了世界範圍的數據中心及各大洲的區域中心，有些國家還建立了國家數據中心，並實施了一系列國際合作科學計畫。理論方面，S.查普曼通過計算，預計到日冕會一直延伸到地球軌道以外的空間；L.別爾曼通過對彗星彗尾的研究，鑑別出太陽連續向外發射出的粒子流，並估算出流速約為400千米/秒；E.N.帕克從理論上分析了日冕連續膨脹可以產生超聲速的電漿流動，首次提出了太陽風的概念；此時，電漿物理學有了較大發展，並很快引入空間研究中，形成了系統的無線電波在電離層中傳播的理論以及對磁層的研究方法。這一時期，探測和理論研究使人類對磁層的位形、結構和太陽風的基本特性有了大致的了解，初步證實了冕洞是太陽風高速流的一種產生源；地磁方面，提出了地核主磁場起源於“地核磁流體發電機機制”的理論；電離層方面，對形成理論和無線電波傳播理論有了深入全面的認識。這些研究不但推進了日地空間物理學的發展，而且也豐富了電漿物理學及有數百年歷史的地磁學的內涵。這些學科為空間天氣學的形成奠定了堅實的理論基礎。70年代以來，許多國家加大了開發和利用空間的力度，把占領空間作為國家戰略的制高點，向空間發射了大量的科學探測衛星、通信衛星、導航衛星、氣象衛星、地球資源衛星、載人宇宙飛船。在軍事上也發射了各種偵察衛星、監視預警衛星、軍事通信衛星、軍用導航衛星及空間武器衛星等天基軍事技術系統。套用的需求使國際上的空間研究開始從各空間區域孤立的探測研究發展到相鄰區域的耦合研究，發射了太陽地球聯合探測、動力學探測和中高層大氣探測等系列衛星，對行星際空間、向陽面磁層頂邊界層區、同步高度區、低高度極區、環電流區和上部電離層區以及中高層大氣進行了探測。深入了解了太陽風及其與磁層的相互作用，探測並研究了磁層、電離層和中高層大氣之間的質量、能量與電磁耦合關係，以及中高層大氣的成分、動力學過程和大氣層化學等，獲得了許多重要成果及新的發現。同時，為了保障太空飛行器發射、運行與返回，逐步建立了空間天氣的服務保障體系，進一步推動了軍事空間天氣學的發展。80年代以來，信息化作戰樣式初見端倪，運用天基作戰平台成為奪取戰爭勝利的關鍵，空間天氣的作戰保障成為戰鬥力的重要組成部分。同時，國際上開始實施日地空間整體探測計畫，共組織發射了SOHO、WIND、ACE、POLAR、GEOTAIL、INTERBALL等10顆衛星，對太陽大氣、行星際空間、磁層、電離層、中高層大氣組成的日地系統的各區域進行聯合探測與耦合研究，對空間天氣探測的發展起了重要的推動作用。90年代下半葉，國際空間機構協調組織開始整合各國發射的空間探測衛星，形成新的ISTP全球聯測。在此基礎上美國制定了日地聯繫計畫。探測太陽擾動事件引起的地球空間天氣連鎖變化，成了空間天氣探測的主要目標。與此同時，國際上地基探測也有很大發展，先後建立了多個地基雷達觀測系統、太陽觀測台、高能粒子觀測站及電離層GPS觀測網。許多國家還建立了不同形式的空間天氣支持保障系統，提高了空間天氣預報能力。信息化戰爭的需求促進了軍事空間天氣學的加速發展。在中國，自50年代末至60年代末，建立了空間科學和空間技術研究機構，空間探測技術的研究與探測實踐逐漸展開並持續發展，太陽大氣、地磁、電離層觀測在全國形成了網路體系，綜合性極區考察深入發展，衛星平台空間探測迅速推進，積累了大量的空間天氣數據，促進了空間天氣的理論研究。中國數據中心在70年代就開始為國民經濟、國防和軍事套用提供空間天氣服務。空間天氣的研究成果、空間天氣探測系統的建立、航天技術的發展，為軍事空間天氣學的誕生奠定了基礎。隨著軍事需求的不斷增加，軍事空間天氣學將進一步完善和拓展。①理論方面。研究太陽活動的產生機制及其物質和能量與行星際空間、磁層、電離層和中高層大氣等區域介質的相互作用，以及日地空間天氣變化規律，建立五個區域相互耦合具有因果時序關係的完整理論體系。②技術方面。開發新型感測器及探測裝備，建立立體觀測網，增大地基觀測的地理和內容覆蓋，發展天基深空探測和對其他行星空間的探測。③套用方面。建立完整的空間天氣觀測數據收集、處理、分發和套用的信息網路系統及軍事空間天氣預報服務系統；研究保障模式、保障手段，開發保障裝備，建立完善的保障體系。

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