與人們生活息息相關(guān)的天氣預(yù)報(bào)更多局限在20千米以下的對(duì)流層內(nèi),，預(yù)報(bào)的范圍也更多細(xì)分到市級(jí)或區(qū)級(jí)行政單位,。空間天氣預(yù)報(bào)與之相比有較大差異,，主要體現(xiàn)在監(jiān)測時(shí)空尺度,、監(jiān)測參數(shù)、監(jiān)測相關(guān)性等方面,。
第一,，空間天氣的監(jiān)測空間、時(shí)間范圍均很大,，其變化程度也很大,。從地表60千米的大氣層直到太陽表面都是空間天氣的監(jiān)測空間，要同時(shí)對(duì)太陽及太陽風(fēng),、地球磁層,、地球電離層、地球熱層等系統(tǒng)進(jìn)行監(jiān)測,。另外,，時(shí)間尺度也是空間天氣監(jiān)測與預(yù)報(bào)需要考慮的，從太陽幾分鐘內(nèi)的劇烈變化到長達(dá)11年的周期性變化均要考慮到,。
太陽活動(dòng)具有 11 年的周期性變化
第二,，空間天氣的監(jiān)測參數(shù)多。空間天氣預(yù)報(bào)水平主要取決于空間天氣監(jiān)測能力及對(duì)物理規(guī)律的認(rèn)知水平,，而這就反映在對(duì)物理參數(shù)的監(jiān)測水平上,。這些參數(shù)包括太陽黑子數(shù)、太陽耀斑,、日冕物質(zhì)拋射,、多波段電磁輻射等太陽活動(dòng)參數(shù)；也包括太陽風(fēng)密度,、太陽風(fēng)速度,、行星際磁場大小、磁場方向等行星際活動(dòng)參數(shù),；還包括地球磁層帶電粒子能量,、磁場分布、電離層電子濃度,、電離層臨界頻率,、電離層擾動(dòng)和閃爍、電子通量增強(qiáng)事件,、粒子沉降,、輻射帶變化、中高層大氣密度和溫度,、風(fēng)速和成分等近地磁層,、電離層、中高層大氣活動(dòng)參數(shù),。如此多的監(jiān)測參數(shù)意味著所需衛(wèi)星的種類和數(shù)量要比普通氣象衛(wèi)星多得多,，地面觀測的內(nèi)容和方法也與普通氣象觀測大相徑庭。
2012 年 8 月 31 日 SDO 天文臺(tái)拍攝的高清日冕物質(zhì)拋射圖像
第三,，空間天氣監(jiān)測現(xiàn)象的相關(guān)性強(qiáng),。太陽日冕物質(zhì)拋射、行星際風(fēng)暴,、地磁暴,、電離層暴、中高層大氣熱層暴和宇宙射線暴等都存在著很強(qiáng)的時(shí)序性與因果相關(guān)性,。各種不同的空間天氣事件的源頭可能相同,，只是同一事件在不同時(shí)空區(qū)域內(nèi)有不同表現(xiàn)。厘清各種獨(dú)立空間天氣現(xiàn)象之間的因果關(guān)系對(duì)空間天氣預(yù)報(bào)有重要意義,。
太陽監(jiān)測
空間天氣問題可以劃歸為兩大方面：一是太陽風(fēng)暴的形成、傳播與演化,，二是太陽風(fēng)吹過地球時(shí)所引起的近地空間環(huán)境的變化,。因此，對(duì)空間環(huán)境的監(jiān)測方式大體可以劃分成太陽監(jiān)測與地球監(jiān)測兩大方面。太陽是幾乎所有空間天氣事件的源頭,，因此對(duì)太陽的監(jiān)測至關(guān)重要,。
監(jiān)測太陽的衛(wèi)星眾多，它們各司其職,，共同使人類對(duì)太陽的認(rèn)識(shí)更加完善,，在此選擇幾個(gè)代表性探測器進(jìn)行介紹。1995年美國和歐洲共同發(fā)射了太陽與日球?qū)犹煳呐_(tái)（SOHO）,，對(duì)太陽的日冕結(jié)構(gòu),、日冕成分、日冕演化方式,、太陽風(fēng)的成分,、太陽光球?qū)拥拇艌龅葏?shù)進(jìn)行了全面的監(jiān)測與測量，它能對(duì)太陽爆發(fā)性活動(dòng)提前30多分鐘向地球發(fā)出警報(bào),，為人類作出了突出貢獻(xiàn),。
發(fā)射前的 SOHO 衛(wèi)星正在地面測試
2010年美國發(fā)射了功能強(qiáng)大的太陽動(dòng)力學(xué)天文臺(tái)（SDO）。SDO天文臺(tái)的目標(biāo)是通過研究小尺度空間和時(shí)間以及不同波長下的太陽大氣,，以及太陽磁場是如何產(chǎn)生和變化的,，來解答太陽的能量是如何以太陽風(fēng)、高能粒子和太陽輻照度變化的形式轉(zhuǎn)換并釋放到日光層和地球空間中,，并對(duì)地球和近地空間產(chǎn)生影響的,。
SDO 天文臺(tái)示意圖
2015年美國發(fā)射的深空氣候觀測站（DSCOVR），是NOAA的空間天氣,、空間氣候和地球觀測衛(wèi)星,。DSCOVR觀測站運(yùn)行于日地拉格朗日L1點(diǎn)，在此處可以同時(shí)對(duì)太陽和地球進(jìn)行連續(xù),、穩(wěn)定的觀測,。它的任務(wù)重心是對(duì)太陽的日冕物質(zhì)拋射進(jìn)行早期預(yù)警，同時(shí)提供地球觀測和氣候監(jiān)測服務(wù),。
日本自上世紀(jì)90年代起連續(xù)發(fā)射了Hinotori,、Yohkoh和Hinode三顆太陽探測衛(wèi)星，對(duì)太陽耀斑,、日冕,、磁場進(jìn)行了系統(tǒng)性檢測與研究。日本憑借這三顆衛(wèi)星,，在對(duì)太陽探測,，特別是X射線波段的探測上占有了一席之地。
我國太陽觀測也實(shí)現(xiàn)了與國際接軌,。風(fēng)云二號(hào),、風(fēng)云三號(hào)和風(fēng)云四號(hào)等氣象衛(wèi)星不僅承擔(dān)常規(guī)天氣預(yù)報(bào)工作,，它們還攜帶了8類空間天氣監(jiān)測設(shè)備，包括太陽紫外與軟X射線成像儀,、太陽高能粒子監(jiān)測儀,、太陽紫外流量監(jiān)測儀、軟X射線流量監(jiān)測儀,、硬X射線流量監(jiān)測儀等重要太陽監(jiān)測設(shè)備,，具有全天候、多層次對(duì)太陽監(jiān)測的能力,。
風(fēng)云三號(hào)E氣象衛(wèi)星拍攝的太陽
我國在2021年10月14日發(fā)射的羲和號(hào)衛(wèi)星,，是中國首顆太陽探測科學(xué)技術(shù)試驗(yàn)衛(wèi)星，使用太陽空間望遠(yuǎn)鏡實(shí)現(xiàn)國際首次太陽Hα波段光譜成像的空間探測,。2022年下半年,，我國將會(huì)發(fā)射先進(jìn)天基太陽天文臺(tái)（ASO-S），其科學(xué)目標(biāo)簡稱為“一磁兩暴”,，即對(duì)太陽磁場,、耀斑爆發(fā)和日冕物質(zhì)拋射進(jìn)行全方位探測，對(duì)三者起源及三者間可能存在的因果關(guān)系進(jìn)行研究,，兼具空間天氣預(yù)警能力,。
近地監(jiān)測
對(duì)人類來說，近地空間發(fā)生的各種空間天氣現(xiàn)象是更加直接的威脅來源,。因此除了對(duì)太陽的監(jiān)測之外,，對(duì)地球周圍電離層、熱層,、磁層等的監(jiān)測也同樣不可忽略,。
美國從1963年到1973年連續(xù)發(fā)射了10顆星際監(jiān)測平臺(tái)衛(wèi)星(IMP)，對(duì)太陽風(fēng)與地球磁層環(huán)境之間的相互影響進(jìn)行了長期觀測,。最后一顆衛(wèi)星的任務(wù)一直進(jìn)行到2006年,，持續(xù)了43年之久，是地球磁層研究的先驅(qū)者,。它見證了整個(gè)美蘇太空爭霸過程,，充滿了傳奇色彩。
工程師在檢查IMP-A衛(wèi)星
美國的全球空間科學(xué)計(jì)劃太陽風(fēng)衛(wèi)星（Wind）于1994年11月1日從卡納維拉爾角空軍基地發(fā)射成功,，是美國宇航局全球地球空間科學(xué)計(jì)劃的第一顆衛(wèi)星,。它至今仍在正常運(yùn)行，若不考慮零件老化,，其富足的燃料甚至可供其正常運(yùn)行到2070年,。它被用于研究太陽風(fēng)和地球磁層中的無線電波和等離子體，了解日地等離子體的行為,，以預(yù)測地球大氣將如何響應(yīng)太陽風(fēng)條件的變化,。全球空間科學(xué)計(jì)劃極地衛(wèi)星（Polar）是全球空間科學(xué)計(jì)劃太陽風(fēng)衛(wèi)星的姊妹星,，旨在研究地球極地的磁層和極光，可以對(duì)全球極光進(jìn)行成像,。它于1996年2月發(fā)射，工作到2008年4月終止任務(wù),。其在任務(wù)全過程中收集了極光的多波長影像,，測量了等離子體在極地磁層、等離子體在電離層的流動(dòng)現(xiàn)象,，以及粒子在電離層和高層大氣中的沉積現(xiàn)象,。
正在地面測試的全球空間科學(xué)計(jì)劃太陽風(fēng)衛(wèi)星
歐空局和美國還在2000年開始合作進(jìn)行了由4顆衛(wèi)星組成的集群-Ⅱ衛(wèi)星系統(tǒng)(ClusterⅡ)，目前任務(wù)仍在進(jìn)行,。這些衛(wèi)星圍繞地球組成一個(gè)四面體結(jié)構(gòu),，對(duì)地球磁層進(jìn)行三維測量，首次收集有關(guān)太陽風(fēng)如何與磁層相互作用并影響近地空間及其大氣的三維信息,。
歐空局和美國的集群Ⅱ任務(wù)示意圖
中國國家航天局在2003年與歐空局聯(lián)合開展的探索者雙星任務(wù)（DoubleStar）,，是我國首次發(fā)射地球磁層研究衛(wèi)星。兩顆衛(wèi)星分別是赤道衛(wèi)星與極地衛(wèi)星,，對(duì)地球磁層中的各種物理變化進(jìn)行了研究,。
除了對(duì)磁層進(jìn)行研究外，美國在2001年發(fā)射了人類第一顆直接探測大氣中間層,、熱層和電離層的衛(wèi)星：熱層·電離層·中間層能量學(xué)和動(dòng)力學(xué)衛(wèi)星（TIMED）,。它的探測范圍是地表60到180千米之間，是太陽輻射能量與地球大氣相互作用后沉積的區(qū)域,，極大推進(jìn)了人類對(duì)這一片區(qū)域的認(rèn)知,。
中國國家航天局 - 歐空局雙星任務(wù)徽章
我國的風(fēng)云系列氣象衛(wèi)星除了承擔(dān)對(duì)太陽的觀測、對(duì)常規(guī)天氣的預(yù)報(bào)外,，也攜帶了研究地球高層大氣的有關(guān)儀器,，比如磁場監(jiān)測儀、磁層內(nèi)高能粒子監(jiān)測儀等,，可以說對(duì)空間天氣具有全方位監(jiān)測能力,。
值得一提的是，人工智能等新興技術(shù)目前也廣泛應(yīng)用于地磁預(yù)報(bào)等研究方向,。借助人工智能技術(shù),，可以更加快速、準(zhǔn)確地對(duì)各種空間天氣現(xiàn)象進(jìn)行預(yù)測,，為空間天氣預(yù)報(bào)能力注入了全新的動(dòng)力,。
地面監(jiān)測
在地面可以對(duì)太陽進(jìn)行磁場觀測、光學(xué)觀測和射電觀測,。地面的太陽觀測站經(jīng)常用普通的光學(xué)望遠(yuǎn)鏡對(duì)太陽黑子進(jìn)行觀測,，每天測量日面上的太陽黑子數(shù),、黑子面積、位置,、運(yùn)動(dòng)和演化等等,。使用單色光望遠(yuǎn)鏡可以不間斷對(duì)太陽耀斑以及太陽色球物質(zhì)的噴發(fā)現(xiàn)象進(jìn)行實(shí)時(shí)觀測，及時(shí)將有關(guān)信息提供給空間天氣服務(wù)與預(yù)報(bào)組織,。用太陽磁場望遠(yuǎn)鏡可以獲得日面磁場分布和變化的形態(tài),，有些海拔較高的天文臺(tái)還擁有日冕儀，可以監(jiān)測日冕的實(shí)時(shí)變化,。比如我國云南天文臺(tái)撫仙湖觀測站擁有一米真空紅外太陽望遠(yuǎn)鏡,、紅外太陽爆發(fā)監(jiān)測望遠(yuǎn)鏡和太陽低頻射電頻譜儀，可以對(duì)太陽進(jìn)行高分辨率成像和光譜觀測,，包括測量太陽磁場的精細(xì)結(jié)構(gòu),、高時(shí)空分辨率的演化過程，達(dá)到了國際先進(jìn)水平,。
撫仙湖觀測站主力觀測設(shè)備：一米真空紅外太陽望遠(yuǎn)鏡
由中國科學(xué)院牽頭,，我國還建設(shè)了規(guī)模龐大的子午工程。這個(gè)工程的目標(biāo)是在我國東經(jīng)120度子午線上,，從漠河經(jīng)北京,、武漢、海南,，延伸到南極中山站,，建立一條空間環(huán)境綜合監(jiān)測鏈，為載人航天等重大航天項(xiàng)目提供空間天氣保障,。
子午工程示意圖
這一工程還進(jìn)行了擴(kuò)展,，除南北方向的子午線外，還建立起一條東起上海,，經(jīng)武漢,、成都，西至拉薩的沿北緯30°線的東西支鏈,，形成了一個(gè)鏈網(wǎng)結(jié)合的完整監(jiān)測網(wǎng)絡(luò),。工程綜合運(yùn)用地磁、無線電,、光學(xué)和探空火箭等多種手段,，連續(xù)監(jiān)測地球表面20千米到幾百千米的中高層大氣、電離層和磁層以及行星際空間的環(huán)境參數(shù),，成為世界僅有的,、跨度最長的、功能最齊全的,、綜合性最高的子午監(jiān)測鏈,，大大提升了中國在空間環(huán)境的地基監(jiān)測方面的國際影響力,。
空間天氣預(yù)報(bào)的準(zhǔn)確性、可靠性和及時(shí)性十分重要,，這對(duì)減少或避免空間天氣事件對(duì)人類社會(huì)的危害有直接關(guān)系,。如今人類對(duì)太陽、近地空間環(huán)境,、空間天氣的認(rèn)知還是不完善,、不充分的，需要一代代研究者,、一顆顆衛(wèi)星前赴后繼地努力。有朝一日人類面對(duì)重大空間天氣威脅時(shí),，一定可以做到“任爾東西南北風(fēng)”般泰然自若,。
