空间天气与GPS气象学--新疆气象手册（11）第1篇2章8-9节 

20191221

8 空间天气

8．1 什么是空间天气

随着人造卫星等空间技术的发展，人类需要掌握从地球对流层顶一直到太阳大气表面这广阔空间区域的物理状态和变化。这一区域有中性气体，又有电离气体和高能带电粒子；既存在稳定的重力场，又有以各种时间尺度变化的电磁场。在大约60km以上，中性大气密度和温度、电离气体的电子密度等参数对太阳变化的响应迅速，幅度变化大。这些变化还将进一步衍生许多效应，对地面和空间的技术系统产生明显的影响。

空间天气是指太阳表面、太阳风、磁层、电离层和热层瞬时或短时间内的状态。它们的状态可能影响空间和地面技术系统的性能和可靠性，可能危及人类的生命和健康。与日常所说的天气一样，空间天气也有好、差和恶劣之分，例如：所谓好的空间天气，指太阳、行星际空间、磁层、电离层、高层大气处于平静的状态，有利于运载火箭发射和卫星正常运行；所谓差的空间天气，是指上述区域具有不同程度的扰动；恶劣的空间天气可引起卫星运行、通信、导航以及电站输送网络的崩溃，造成各方面的社会经济损失；等等。

总之，空间不是空的，太阳不是稳定的，空间环境对不断变化的太阳的响应就构成了空间天气。

8．2 空间天气引发的效应

8．2．1 航天器表面充电：

在航天器外表面上的电荷积累称为航天器表面充电。其中的“不等量充电”可能产生强的电场，可导致表面弧光放电或航天器不同电位表面之间的静电放电（ESD）。这种弧光放电或火花放电直接引起航天器部件的损坏或者在电子部件中产生严重的干扰脉冲。航天器表面电位随空间等离子体的状态变化。在亚暴期间，高密度、低能量的等离子体被能量为1~50keV的低密度等离子体云取代。这种情况可使航天器介电表面充电到达很高电位，甚至发生静电放电击穿现象。

8．2．2 航天器内部充电：

航天器内部充电是由能量范围为0.1～10MeV的高能电子引起的，它们穿透航天器的屏蔽层，沉积在电介质内。当电荷的积累率高于电荷的泄漏率时，这些电荷产生的电场有可能超过介质的击穿限度，产生静电放电，从而造成航天器某些部件的损坏，最终导致航天器完全失效。高能电子被称为卫星的“杀手”(killer)。

8．2．3 航天器中的单粒子事件：

当高能重离子或质子打到电子学部件的芯片上时，在芯片的P–N结上产生的电荷使逻辑电路发生非正常电位翻转、锁定或击穿，这种现象称为单粒子事件。发生单粒子事件的概率与高能质子通量有密切关系。如果偶然发生单粒子事件，可以通过编码校正装置纠正，但频繁发生的单粒子事件，可导致航天器失效。

8．2．4 辐射效应：

材料因辐射受到伤害称为辐射损伤。如玻璃材料在严重辐照后会变黑、变暗；胶卷变得模糊不清；太阳电池输出降低；各种半导体器件性能衰退，甚至完全损坏。各种辐射长期积累限制了飞船电子部件的寿命。高能电磁辐射或粒子辐射穿入人体细胞，使组成细胞的分子电离，可毁坏细胞的正常功能。辐射病的症状包括严重灼伤、不能生育、肿瘤和其它组织的损伤。严重损伤可导致快速（几天或几周）死亡。DNA的变异可遗传给后代。

8．3 空间天气学 

空间天气学是空间天气（状态或事件）的监测、研究、建模、预报、效应、信息的传输与处理、对人类活动的影响以及空间天气的开发利用和服务等方面的集成，是多种学科（太阳物理、空间物理等）与多种技术（信息技术、计算机技术等）的高度综合与交叉。

空间天气学的基本科学目标，是把太阳大气、行星际和地球的磁层、电离层和中高层大气作为一个有机系统，按空间灾害性天气事件过程的时序因果链关系配置空间、地面的监测体系，了解空间灾害性天气过程的变化规律。