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ISBN编码： 9787030580122 书 名： 空间天气科学服务和平利用空间 定 价： 88 出版单位： 科学出版社 出版时间： 2018年07月 著 者： 魏奉思等 编 者： . 译 者： 页 数： 139 开 本： B5

内容介绍
空间天气科学是在人类社会的发展越来越依赖于空间科技发展的背景下诞生的，由于它关系人类的知识体系从“地球实验室”向“空间实验室”拓展，关系应对空间天气灾害、增强卫星应用能力、开拓和平利用空间战略经济新领域以及国家空间安全，因此它一问世就受到技术发达国家的政治家、军事家，及工业界和科技界的高度关注。空间天气研究正成为一门新兴的以空间物理为学科基础的前沿交叉科学和以航天、航空多种技术有机结合的关乎人类社会生存与发展安全的战略科学。
现今人类社会正面临能源、环境等问题的严峻挑战，开拓和平利用空间战略经济新领域将为人类社会可持续发展带来新亮点、新领域、新方向。由于一切空间技术系统都是在一定的空间天气环境下运行并发挥其功能的，所以从服务和平利用空间这个视角来探讨空间天气科学的发展战略，无论是对提升空间天气科学的创新能力，还是对促进科学与技术的结合、科技与经济的融合，从而助力开拓和平利用空间战略经济新领域都将有重要意义。

目录
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丛书序/ i
前言/ v
摘要/ vii
Abstract / xxi
第一章 空间天气科学的科学意义与战略价值 1
第一节空间天气科学是一门新兴的前沿交叉科学 1
第二节空间天气科学是一门关系国家空间安全的科学 7
第三节空间天气科学是一门关系经济社会发展的科学 10
本章参考文献 18
第二章 空间天气科学的发展规律与研究特点19
第一节发展历程 19
第二节空间天气科学的学科发展驱动力 22
第三节空间天气科学的人才培养特点 26
第四节空间天气科学的学科交叉状况 28
第五节空间天气科学的成果转移 36
第六节我国空间天气科学的资助管理模式 52
本章参考文献 58
第三章 空间天气科学的发展研究现状与发展态势60
第一节空间天气科学的主要研究方向和发展趋势 60
第二节空间天气科学与和平利用空间 73
第三节典型案例分析 79
第四节平台建设情况 83
第五节人才队伍情况 85
第六节存在的问题与政策措施 86
本章参考文献 88
第四章 空间天气科学的发展思路与发展方向89
第一节关键科学问题 89
第二节学科发展总体目标与途径 93
第三节学科的重点发展方向 98
第四节学科发展思路 118
本章参考文献 119
第五章 空间天气科学的资助机制与政策建议 120
第一节服务国家和平利用空间新需求的咨询建议 120
第二节空间天气科学的能力建设 122
第三节空间天气科学的队伍建设 126
第四节政策措施建议 132
本章参考文献 134
关键词索引 135


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第一章空间天气科学的科学意义与战略价值
空间天气科学是一门发展中的新兴学科，学科具有鲜明的前沿性、创新性、挑战性、引领性。它开拓了新的知识体系，推进了空间相关学科发展和交叉学科的出现，极大地促进了空间相关领域高技术的发展。空间天气科学关系国家空间安全、经济社会发展，在国家创新驱动发展战略的进程中正发挥着越来越重要的作用。
第一节空间天气科学是一门新兴的前沿交叉科学
一、开拓新的知识体系
空间天气科学的研究主要涉及日地空间中的太阳大气（日冕）、行星际（太阳风）、地球空间（磁层、电离层、中高层大气），研究空间环境中的等离子体、中性大气、电磁场、辐射等要素的分布和变化规律，并特别强调研究那些对人类空间活动及技术系统具有重要影响的空间环境状态和灾害性扰动。
空间天气科学中的基础研究是当前空间物理学的主要前沿，对我们认识客观世界具有巨大作用，并可大大丰富人类的知识宝库。空间天气科学涉及日地空间环境中诸多的物理性质，是地球上无法模拟的高真空、高温、高辐射、高电导率、复杂电磁场、微重力等特殊环境的空间区域，分别呈现为物理属性迥异的中性大气（中高层大气）、部分电离气体（电离层、太阳大气）、无碰撞等离子体（磁层、行星际）等成分，其间还弥漫着各种电磁场电磁波，存在多种宏观与微观非线性过程和激变过程，如日冕物质抛射的传输、激波传播、磁场重联、波的激发与加速、电离与复合、带电粒子与中性粒子的碰撞、大气波动（重力波、潮汐、行星波等）、非线性激变过程和不同尺度耦合、不同空间层次的动力耦合等，这些都是日地空间物理学研究的基本问题，也是当代自然科学所面临的重要科学难题。了解和认识这些问题，将为建立和完善日地系统空间天气连锁变化过程的科学认知体系做出重大贡献，并为人类知识体系从“地球实验室”向“空间实验室”的拓展迈出关键一步，在地球科学与宇宙科学的衔接中具有实质意义，很值得在科学发展史上记下重重一笔。美国国家航空航天局战略计划（2006—2016 年）中指出：“这些知识不但代表了这个时代伟大的学术成就，而且能为将来利用和探索空间提供背景知识和预报能力。”
空间天气科学的发展依赖于空间环境探测，这一需求是当前航天领域发展的一个重要来源，对推进相关技术的不断进步具有重要作用。空间天气探测新需求包含有效载荷、卫星平台及飞行轨道等方面大量的新思路、新设计、新工艺，是航天技术原始创新的重要源泉，对航天和相关高技术产业的发展具有显著的牵引和带动作用。空间天气探测卫星在许多方面不同于常规应用卫星，其中，在轨道设计方面，多数空间探测卫星需要不同于常规应用卫星轨道的特殊设计要求；在卫星结构、热控方面，科学卫星已经突破了平台和载荷相对独立的概念，大量科学探测卫星的构型已形成了平台和载荷一体化的设计理念；在有效载荷技术方面，科学观测和探测需要得到在探测窗口、空间分辨率、灵敏度、时空基准方面超过前人的数据。通过设计和技术创新，几乎每一项空间天气科学卫星计划都是非重复性、非生产性的，包含大量的新思路、新设计，带动和牵引航天技术和相关高技术的发展。
空间天气科学研究还直接为各类空间工程与空间应用提供了各种保障，对空间环境要素的精确观测、描述（现报）和预测（预报），可以使不同空间应用的效率大大提高，功能大大增强。许多重要的国家基础设施，特别是航空、航天、通信、导航定位、能源、地质勘探等现代高技术系统，在空间天气灾害面前显得非常脆弱（Fisher，2009），恶劣的空间天气会给人类社会活动和经济带来巨大损失（图1-1）。无线电通信和卫星授时导航定位等高技术日益发展，现代高技术系统的高可靠、高精度、实时性的运行需求日益增强，亟须空间天气保障服务；长距离供电网络与油气管道等国家重大基础设施的规模日趋庞大，受灾害性空间天气的影响日益突出，亟须空间天气方面的安全保障；随着航天活动和空间资产与日俱增，亟须空间天气影响的应对技术、自主精确的空间天气模型和更准确的空间天气事件预报能力。在全球空间技术及应用蓬勃发展，空间事业蒸蒸日上的同时，亟须空间天气科学为和平利用空间服务。
图1-1 空间天气对各类技术系统的影响
（图片来自国家空间天气监测预警中心）
作为一门蓬勃发展的新生学科，空间天气科学广受关注。此外，空间天气科学涉及前沿科学和尖端技术，复杂空间活动需要广泛的国际合作，发展空间天气事业，对提升我国在国际社会和科技界的影响具有重大的积极作用。
二、推动交叉学科发展
作为一门快速发展和有望取得突破的学科，空间天气科学直接推动着空间科学有关学科领域（如太阳物理、行星物理、月球科学和空间等离子体物理等）的发展，更推动了空间科学与大气科学、海洋科学、地球科学、材料科学、生命科学等大科学交叉，正孕育和催生一批学科交叉新领域，如辐射电子学、辐射生物学、高速飞行器与空间环境相互作用、高精度定轨、高精度测绘、地表激变过程（如地震、海啸、火山等）的空间天气效应等。空间天气科学不仅促进了空间物理学的跨越式发展，还通过特殊空间平台的环境保障作用带动了其他相关学科和高技术领域的进步，在提升国家整体科技实力、实现国家创新战略中具有重要作用。
苏联首颗人造卫星遨游太空，标志着人类的活动领域突破了地球大气层的限制；美国首艘人造飞船奔赴月球，人类得以进一步挣脱地球引力的束缚。经过半个多世纪的努力，人类的“足迹”已经遍及地球空间的各个角落，并逐步到达月球、火星与金星及其他行星，最近旅行者号正在冲出太阳系，飞向恒星际空间。对空间科学不同领域的探索和不断突破提升了人类认识客观世界的能力，由此得到的关于物质世界的认识远超过了人类以往数千年来所获有关知识的总和，极大地推进了空间科学及空间天气科学的相关知识领域的发展，新的概念不断涌现。空间探索是空间科学的出发点，有力地推动了空间科学的飞跃发展。几十年来，人类探索空间的脚步从未停止。我国发射了神舟系列飞船和天宫一号空间实验室，实现了中国载人航天和驻留太空之梦；我国月球探测器—嫦娥系列，实现了“成功绕月”“软着陆”等预定目标，获取了大量科学数据和高分辨率全月球影像图，成功开展了多项拓展性实验。美国等国家也正在进行月球返回、火星等深空探测任务，让太空成为人类第二家园是和平利用空间的**梦想。空间探索是和平利用空间的出发点，探索空间离不开了解空间、掌握空间。与人类探索海洋过程中始终面临海洋环境和天气的影响一样，对太空的探测经常会受到恶劣空间天气的影响及其带来的危害，大力开展空间天气科学研究，发展空间天气观测和预报业务，建立空间天气基准，提高响应与恢复能力，将为人类正在进行的深空探索提供强有力的保障，进而推进空间物理学科新的发展。
人类在空间探索领域取得的巨大成就，在促进空间环境和空间物理学研究不断取得重大突破的同时，还开拓了空间天文学（宇宙学、行星科学等）、微重力科学（空间生命科学、空间材料科学）、空间地球科学等空间科学重要学科。
空间天气科学有效地推了动力天文学和宇宙学的发展。在空间探索宇宙，是天文学研究历史上继地面光学和射电望远镜之后的第三个里程碑。空间天文所牵引的探测技术产生了具有潜在重大意义的技术，如脉冲星导航，将牵引大量先进空间技术的发展，对于更加深入地认识空间环境起了重要作用。在空间开展天文和宇宙探测是利用宇宙实验室研究理解极端天体物理规律的一个不可或缺的重要手段。为了理解宇宙的演化和暗能量的性质，需要在空间建造大口径、高精度的望远镜。在空间探测暗物质和高能宇宙线的研究同时也能够精确测量地球周围的辐射环境，对于全面理解空间环境非常重要。空间天文和宇宙学探索是人类利用航天器和太空探测仪器研究、开发宇宙的科学实践活动，无疑需要规避空间天气灾害，保障相关探测活动的安全和效果。
空间科学及空间天气科学还有效地推动了微重力科学的发展。空间站等飞行器的轨道所在近地空间的特有环境具有地面上所不具备的特殊性，利用空间平台上微重力、强辐射、高真空等特殊环境，能有效开展空间环境下的辐射生物学、微重力生物学和亚磁生物学研究，此外还能有效开展微重力下的流体力学、燃烧学、材料科学等实验，进行地面上难以实现的一些应用开发。对于认识利用微重力、强辐射、高真空等特殊空间环境下材料和生物试剂制备、空间生命生长规律提供了地面实验室环境所无法比拟的条件，为单一亚磁因素及多因素耦合生物学效应（尤其是长期效应）研究提供了非常理想的实验基础条件。
各类人造卫星平台，极大地丰富了对地球系统的观测数据，包括空间测量、大气、海洋和遥感观测等在内的地球科学，也越来越密切地依赖空间天气科学的发展和进步。利用空间平台居高临下观测地球，可以更有效地研究地球大气、水、岩石、碳和生物圈系统。地球系统科学的发展，可极大地提高我们对地球环境和地球系统变化的整体认识水平，提高对天气、气候、地球环境变化和自然灾害的预报预测能力，减少或降低自然灾害对人类社会的影响。和地球对流层天气一样，空间环境也常常出现一些突发的空间天气变化，有时还是灾害性的，这会使卫星运行、通信、导航和电力系统遭到破坏，影响天基和地基高技术系统的正常运行和可靠性，危及人类的健康和生命，进而造成多方面的社会经济损失甚至威胁到国家安全。
三、促进空间技术发展
空间天气科学不仅引领发展新的探测技术，推动航天技术跃上新台阶，还推动了地面高频通信、卫星通信以卫星定位导航等空间应用领域各项技术的飞速发展。
在60～1000 千米高度的电离层能影响各波段无线电波的传播，从而影响与电波传播相关的空间信息系统。电离层作为重要的电波传播介质，使电波发生反射和折射，能维持地面长距离高频通信的信道特性，影响卫星定位导航的精度。电离层中存在的不均匀体能引起无线电波闪烁，降低卫星通信的质量，导致卫星导航定位信号的失锁。在空间天气事件过程中，电离层电子密度分布发生畸变、电离层闪烁增强，将导致通信与定位导航的误差增加和系统性能降低（图1-2）。
图1-2电离层对无线电通信、导航定位应用的影响
为了认识地球空间环境及其空间天气效应，相继发射了大量的不同轨道探测器。这些探测活动，一方面，极大地推进了包括空间遥感（对地观测）在内的空间技术发展；另一方面，积累了宝贵的空间环境探测资料，形成了对空间天气特性和过程的初步认识。全球范围内，多个国家和地区相继构架了不同的全球卫星导航系统，如美国的GPS 卫星导航系统、我国的北斗卫星导航系统、欧盟的伽利略卫星导航系统和俄罗斯全球卫星导航系统等，形成了多样的卫星通信及授时定位导航系统。以此为依托，各种规模的地基电波修正系统得以建立；不同中心发布的空间天气和电离层状态的实时或准实时信息，形成了消除或减弱空间应用系统空间天气效应的有效保障。
20 余年来，我国实施了载人航天、探月工程、双星计划、子午工程等国家计划，在空间环境探测研究与空间安全保障领域取得了长足进步。我国的空间科技整体水平得以迅速提升，培育了一支包括空间天气科学在内的空间科学领域的人才队伍；在飞行器、导航、测控等方面取得了众多关键技术的突破，有些领域已经进入世界前列，有效地推动了我国空间应用由实验应用型向业务服务型的转变。我国已经成为空间大国。
进入21 世纪，我国与国际主要发达国家先后进行了太空探索新的部署，制订了将人类空间活动向深空进一步延伸的中长期发展计划。中国科学院空间科学先导专项一期的硬X 射线调制望远镜卫星、暗物质粒子探测卫星、量子科学实验卫星、微重力卫星4 颗空间科学卫星已进入了研制阶段，预期将陆续发射运行。这将是我国继双星计划之后的又一批科学卫星，将使我国步入具有真