【科技前沿】怎么样应对空间天气挑战

  作者：王赤、曹晋滨（分别系中国科学院院士、中国科学院国家空间科学中心主任；中国科学院院士、北京航空航天大学空间与环境学院院长）

  1957年人造卫星上天，人类进入空间时代。从此，人们开始意识到在陆地、海洋和大气环境之外，存在着与人类生存发展息息相关的第四环境——日地空间环境。瞬时发生的爆发性太阳活动通常会引起日地空间环境的剧烈变化，人们称之为空间天气（space weather）。

  灾害性空间天气事件会严重威胁卫星、通信、导航、电力等基础设施和高技术系统，甚至危及人类的健康和生命，进而导致多方面的社会经济损失。

  美国太空探索技术公司（SpaceX）在2022年2月发射了49颗“星链”卫星，受到空间天气引发的地磁暴影响，40多颗卫星在发射后不久就坠入大气层烧毁。美国国家海洋和大气管理局（NOAA）行政主管凯瑟琳·苏利文曾直言，“尽管人类对空间天气的物理现象研究甚多，但人类社会在太阳风暴面前依然脆弱”。随人类高技术系统和航天活动的迅速发展，空间天气慢慢的变成了影响国家安全与社会稳定的重要战略因素之一。

  美国是最早开始对空间环境进行探索、开发和利用的国家，也是目前相关活动顶级规模的国家，其在空间天气的监测、研究、预报、风险规避与危害防护方面的人力和财力投入较大，在研究水平和避险技术等方面处于世界前列。近十几年来，美国逐步将空间天气提升为国家战略。

  2011年，奥巴马政府发布了“国家应对”总统政策指令（PPD-8），要求建立一体化的国家能力体系并制定一系列“国家计划框架”以应对所有灾害。根据这一要求，美国国土安全部发布了《国家战略风险评估报告》，将空间天气确定为对国家安全有着重大潜在影响的九大自然灾害之一。

  2014年，美国国会参众两院批准成立了“空间天气运营、研究与减灾”任务工作组，真正开始启动了美国国家空间天气战略和行动计划的制定工作。

  2015年，白宫正式对外发布《国家空间天气战略和行动计划》，从国家层面来全面应对极端太阳风暴所带来的威胁，空间天气成为美国政府需要第一先考虑的事项之一。

  2016年，奥巴马总统签署了《协调努力为国家做好空间天气事件的准备》总统行政命令，进一步强化美国联邦政府应对空间天气事件的目标和措施，以及各政府部门与机构的具体职责。

  2019年3月，白宫发布了修订版《国家空间天气战略和行动计划》，将现有和未来的空间天气活动统一到三大主要目标之下：加强对国家安全、国土安全以及商业资产和商业运营的保护，使其免受极端空间天气影响；及时和准确进行空间天气预报；制定极端空间天气事件的应急预案。

  2019年12月，美国正式成立天军，将日地空间视为重要的作战空间、关系空天安全——制“天”权的重要组成部分。与此同时，空间天气保障技术成为抢占国家安全制高点的重要保障之一。

  2020年，美国发布《空间天气法案》，将应对空间天气现象的经济社会影响定为美国法定国家政策。随即又发布了《太空安全的未来：美国30年战略》，将地月空间安全纳入美国空间战略当中。

  2023年12月20日，美国白宫科技政策办公室（OSTP）发布了《国家空间天气战略和行动计划的执行计划》（以下简称执行计划），该执行计划是美国空间天气国家战略的重要延续，一经发布就引起国际社会的广泛关注。

  美国拜登政府将增强空间系统的安全性和恢复能力作为空间政策的第一个任务。此次发布的执行计划旨在从国家层面为跨部门的空间天气活动提供路线图。通过这项工作，美国政府将进一步保障国家安全资产、关键基础设施和空间运营，同时促进美国商业空间和地面活动的发展。执行计划围绕三大目标，提出了93条具体的措施，助力美国成为“空间天气有备国家”。

  目标一：提升国家安全、国土安全以及商业资产和业务抵御空间天气影响的能力。加强完善空间天气基准，实现对空间天气事件强度的定量评估；评估重点关键基础设施系统和国家安全资产对空间天气影响的脆弱性，并指导风险管理；对空间天气对空间、空中和地面国家关键职能和相关优先级关键基础设施和国家安全系统、资产和网络的影响进行建模；鉴定和评估频发和极端空间天气事件对空间任务的影响；评估空间天气对关键任务的运转和实施的影响成本；确定和第一先考虑研究和开发的必要性，以增强关键职能和国家安全资产对空间天气影响的安全性和弹性；测试、评估和部署技术和设备，以减轻空间天气对关键功能和资产的影响；支持开发和使用标准，提高设备对空间天气事件的恢复能力。

  目标二：发展并发布准确及时的空间天气特性和事件预报。明确地基、海基、空基和天基观测所需的基本能力；确保空间天气观测平台、能力和网络的标准运行；支持和协调太阳物理和地球空间科学基础研究；确定、开发和测试创新方法，以实现更强大、信息更丰富、更可靠、成本更低的评估手段；改进目前的空间天气模型，开发更先进的空间天气模拟技术；确定并酌情发布新的或之前未充分的利用的数据集；确定将研究中的模型和观测能力转化为业务运营的机制；加强观测数据在相关行业内的可获取性和共享；提高空间天气事件通知的时效性；与国际伙伴合作，以确保极端事件期间空间天气产品和服务与全球协调一致；发展和完善态势感知能力。

  目标三：建立对空间天气事件应对和恢复的计划和程序。制定、审查和更新联邦应对计划、项目和程序，以应对空间天气的影响；开发和分发关于空间天气影响的产品和信息，以支持协同应对和恢复工作；促进信息共享，为受空间天气影响风险最大的关键基础设施的运行和恢复提供信息并予以加强；评估在空间天气事件发生之前、期间和之后，有关指挥、暂停或控制的关键基础设施运行、功能和服务的能力方面的行政和法定权限；针对空间天气事件建立联邦响应、重建和运行演练的计划和程序。

  我国从地磁监测、电离层有限参量的监测起步，经过几十年的发展，目前已经基本建立了针对整个日地空间的多参量监测能力，为应对空间天气对社会经济的影响提供了技术保障。此次美国《执行计划》的发布，对我国空间天气战略发展也有深刻的启示。

  首先，建立跨部门的空间天气事务协调机制。空间天气涉及国家的多个部门，必须强化组织领导和统筹协调，整合各类创新平台和科研任务，构建多方支持的基础研究和应用研发生态，与用户部门和国内外科研力量协力攻关，实现互通互联、互融互惠。

  其次，建设天地一体化监测体系。加快立项实施以我为主的国际性空间环境地基监测计划，强化我国在地基综合监测领域的国际引领性优势；聚焦日地全景，加快部署系列科学卫星任务和揭示空间天气起源的重大科学前沿；接续推进应用卫星搭载和空间天气监测专星任务，从源头上破除我国对美欧国家在空间天气天基监测数据方面的依赖，确保我国空间天气预报保障服务自主高效。

  再次，集合多方力量推动空间天气的研究和应用事业高质量加快速度进行发展。大力提升空间天气的基础研究力量，强化基础研究实现源头突破和创新，提升空间天气预报业务的服务能力；深化我国空间天气领域的融合发展，同时也加强知识普及和传播。以实际行动落实“三大全球倡议”，助力和平利用外层空间、构建人类命运共同体。