作者:魏奉思 来源:科学时报 发布时间:2011-9-19 8:36:38
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魏奉思院士:空间天气基础研究转型是时代要求

最近20年,有十几次空间灾害给人类活动带来显著影响。图片来源:天文在线网
 
编者按:我国科技发展正处于“转型期”。在很多领域,我们已做出一流成果,整体来说在国际上处于第二梯队前列,只要我们进一步努力,实现一次跨越,就有可能跻身第一梯队。空间天气科学是科学基金优先发展领域之一,近年来,该领域出现了一批“亮点”研究成果,正处在学科发展的转型期,我们需要认真思考:如何认识自身的位置,如何组织团队向学科前沿亮剑,如何抓住机遇行动起来?
 
为此,本报开设“空间天气科学‘亮剑科学前沿 服务国家需求’系列报道”,介绍我国空间天气科学取得的成绩和下一步努力方向。
 
□中国科学院院士 魏奉思
 
发展瓶颈
 
空间天气研究从国家战略发展来说非常重要,但目前我们对其认识还不够。
 
空间天气领域的研究包括三个层面:基础空间天气(针对空间自然现象本身的探测研究);军用空间天气(关乎国家安全);民用空间天气(服务社会经济发展)。
 
在空间天气研究方面,国外通常是基础研究先行,与能力建设协调发展,“软”“硬”兼施。我国空间天气能力建设受到国家高度关注,双星计划已成功实施,子午工程今年将全部建成验收,“夸父”卫星计划正在推动中。但基础研究还没有国家层面的计划安排,如何实现空间天气领域的科学发展是个重要的战略问题。
 
空间天气条件十分复杂,在地球上无法模拟和认知,空间天气研究的意义有四个方面。
 
首先,基础空间天气研究薄弱,会成为我国从空间大国向空间强国发展的瓶颈之一。比如,我们现在遇到的问题,卫星虽然上天了,但其寿命问题却没有很好地解决。卫星运行的安全、可靠、长寿等问题都有赖基础研究的提升。
 
其次,空间天气研究能拓展人类的知识体系。人类传统的知识、理论体系都建立在“碰撞”的基础上,物体或粒子通过碰撞实现能量交换,进行扩散、传导或对流。而空间基本无碰撞状态,波和粒子间的相互作用非常重要,“燃烧”磁场可获取动能和势能。原来的知识积累和理论体系解决不了新问题,很多概念和理论都需要发展。
 
我们要和平利用空间,必须认识空间。比如我们要在近地空间发展飞艇、无人机,要进行精确追踪和拦截,不能精确掌握大气密度和风场变化规律,不了解空间状况怎么行?再如,人类向空间要能源,日本已在设计利用空间数平方公里的太阳能电池板,将太阳能转化成电能再转化成微波传到地球。在空间收集太阳能不用担心天阴下雨,如果卫星轨道设计合理,可以24小时持续供电。未来十年人类还可以向空间的高超音速等离子体流以及地球空间的电流体系要能量。这些都是取之不尽的能量,如果打开这扇天门,能源问题就迎刃而解。
 
三是从国家空间安全考虑。过去国家安全是领土、领海、领空的问题,现在国家安全必须建立海、陆、空、天无缝隙的保障体系,特别是数字化、信息化空天环境建设。不认识空间天气现象和规律,就无法去设计、防控空间安全。
 
四是应对空间天气灾害。最近20年,有十几次空间灾害给人类活动带来显著影响。2009年美国国家科学院发布空间天气大灾害报告,如果超强太阳风暴吹袭地球,会造成卫星失控或毁坏,通讯中断,电力系统受损,并相继引起供水、污水处理、物流交通等系列问题,甚至带来地球灾害。空间天气灾害如同地震、海啸,都是一种难预测的突发自然灾害。不研究空间天气灾变问题,当它有一天真的发生时,我们如何应对?
 
科学发展要软硬件兼顾、统筹发展。美国1995年就开始第一个国家空间天气十年计划,2010年又批准实施第二个十年计划。我们也在呼吁国家实施“空间天气十年计划”,但至今还没有很好落实,不夯实基础研究会成为我们继续发展的瓶颈。
 
思考转型
 
空间天气科学是门相对年轻的学科,我国在这一领域有一支非常优秀的队伍,过去十多年,我国研究水平迅速提升。近年我们召开两次全球华人空间天气科学大会,很多海外学者对我们的进展速度感到吃惊。过去十年我们已经从三流国家走到二流国家的前列,目前正处在向一流国家跨越的历史机遇期,大家都鼓足干劲,准备为空间天气科学的跨越发展贡献力量。
 
过去十年中,我们空间天气科学领域取得多项标志性成果。
 
2010年,双星——集簇卫星计划获年度国际宇航学院集体成就奖;子午工程备受国际瞩目;美国《空间天气》杂志封面评述为“雄心勃勃”、“影响深远”、“震撼”;关于太阳活动、太阳风起源、日冕物质抛射、行星际扰动传播、磁层动力学、磁重联等一批基础研究成果站到国际前沿;建模与预报能力有了长足进展;科学研究体系基本形成;业务预报体系正快速成长;国际合作格局初步形成。
 
我国空间天气领域过去10年的快速发展为未来10年实现跨入国际一流水平国家的目标夯实了基础。事实上,不只空间天气科学领域,我国在很多领域都取得了骄人的成绩。很多领域都有一批亮点研究走在了国际前列。
 
在很多学科的某些研究方向,我们已经具备向国际一流水平跨越的基础和条件,也面临国家重大战略需求。在当前阶段,时代要求我们进行思考和探讨:该如何实现基础研究从跟踪模仿到原始创新、引领发展的转型。
 
亮剑前沿
 
早期空间天气方面的基础研究主要是在科学基金支持下进行的,空间天气科学研究也是基金委地球科学部的一个优先发展方向。科学基金的作用不仅是“播种”,还培育其成长,提升它的竞争力。
 
前不久,空间天气科学领域召集科学基金重大、重点、面上、青年基金承担者一起开会。突破部门、单位、项目的局限,把科学家的自由探索与目标导向有机结合起来,向科学前沿亮剑。会议的主题是如何实现向原始创新、引领发展转型。各亮点研究方向组织亮剑团队,讨论如何亮剑,如何行动。
 
针对某些科学问题或科学领域,如果我们的工作具有原创意义,得到了国际科学界的认可,开始产生影响,就被认为是亮点研究,其所在的领域或方向即亮点研究方向。
 
目前空间天气领域共组织了13个亮点研究方向,其中一半已开始取得有国际影响的一流成果,另一些还需要一个培育和积累过程,经过一段时间努力也将在国际上产生很好影响。
 
我们拟在亮点研究方向内组织几个相互有机联系的,有基础、有优势的研究课题为项目群,围绕某一重大科学问题的突破展开联合攻关,资助一批亮点研究方向。否则今年支持一个、明年支持一个,等我们取得成果,又一个十年过去了。
 
这是我们的历史机遇,很多国家都在空间天气研究方面制定了大型的研究计划。在“十二五”开局之年,应该吹响向科学前沿进军的号角,亮出我们的“剑”。真干实干,再次实现跨越发展。
 
(本报记者 张双虎/采访整理)
 
《科学时报》 (2011-09-19 A4 基金)
 
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