空间天气简史

1991年2月18日，中国气象报上刊登了一篇名为“太阳活动对人类的影响”的科普文章，作者是王章敏老师。前段时间我无意中看到这篇文章，惊讶于原来这么早大院内就有人关注很前沿的东西了...



1991年2月18日，中国气象报上刊登了一篇名为“太阳活动对人类的影响”的科普文章，作者是王章敏老师。前段时间我无意中看到这篇文章，惊讶于原来这么早大院内就有人关注很前沿的东西了。这篇科普文章里面提到的一些东西，现在都成为了空间天气研究的重要内容。

作为第一篇，打算在这里和大家聊聊“空间天气”这个词汇的起源。

“空间天气”这个词虽然很新，字面上只是简单的将“空间”和“天气”进行了组合。但我保证，真的绝不是科学家随意拼凑而成的☺。相反的是，这个词有着非常丰富和有趣的历史。从历史上来看，19世纪中期到20世纪初，出现了很多和我们现在所说的“空间天气”意义非常相近的词汇。经过了100年的发展，到距离现在很近的20世纪90年代，“空间天气”才开始逐步走进了大众的视野，被更广泛的应用在相关文件和科普文章中。

目前国际上空间天气较为主流的定义为：太阳上和太阳风、磁层、电离层和热层中能影响空间、地面技术系统的运行和可靠性，以及危害人类健康和生命的状态【NSWP，1994；魏奉思，1999】。简而言之，空间天气是指空间环境中的灾害性天气状态，条件或者事件。从上面来看，空间天气和气象上所指的传统天气有着非常紧密的联系。相关文献记载，在2006年，Kane从这方面入手，想试图寻找“空间天气”的起源。经过了大量而又仔细的工作，他发现Thomas Gold在1959年时候，曾经讨论过行星际物质和地球上气象学的对应关系【Kane，2006】。但是遗憾的是，Gold本人并未使用“空间天气（Space Weather）”这个词汇。但是经过科学家缜密的调查发现，其实，早在之前的一个世纪，就有和空间天气非常类似的术语出现了，只是并未在意义上如此接近而已。

当今的空间天气学是一门融合性极强的学科，我们现在所了解的空间天气其实是人类对很多看似无关现象产生的极度好奇心融合而成的产物。太阳耀斑爆发、极光的产生和时不时的地磁扰动带来了一个又一个的问题。当科学家试图将这些现象联系起来的时候，一个更为宏伟的蓝图诞生了。当科学家们要对这个庞大而又复杂的物理过程进行研究和讨论时，对这个系统进行准确的描述就显得尤为迫切。

John Herschel其实是比较早使用类似“空间天气”这个术语的人（这个John Herschel来头可不小，他是红外辐射和天王星的发现者William Herschel的儿子）。1847年他发表了一篇关于太阳黑子文章，里面提到了一个非常重要的词汇“太阳气象学（Solar Meteorology）”，重要的是，他在文章中将这个额崭新的词汇和地球上的气象学进行了类比【Herschel，1847】。19世纪中后期，“太阳天气（Solar Weather）”、“太阳上的天气（Weather on the Sun）”也被大量的进行了使用，在当时这些词汇被用来讨论太阳黑子、太阳活动和太阳大气方面的相关内容【Mackay, 1860; Youmans, 1872; Langley, 1878; Lockyer, 1881; Tacchini, 1884】。Norman Lockyer曾经写到：We know that we are dealing with the exterior portion of the solar atmosphere, and a large knowledge of solar meteorology is already acquired, which shows us the whole mechanism of these prominences【Lockyer，1871】。进入到20世纪之后，类似这样的词汇还在不断出现。包括美国气象局（NWS的前身）也在一份文件中写到：The Central Radio Propagation Laboratory has several programs of interest to the Weather Bureau, including clear air turbulence, infrared, and solar weather【Weather Bureau, 1964】。

巧合的是，在“太阳天气”这一词汇出现的几乎同时，“磁天气（magnetic weather）”这个词汇也出现了。科学家认为John Phillips在1850年向英国科学促进协会(British Association for the Advancement of Science)发表的一份报告中首次使用了这一术语【Phillips，1851】。Phillips教授在测量约克郡附近的磁场时，提到了：magnetic weather not unfavourable。接下来的100多年来，“磁天气”不断地出现，Balfour Stewart在1879年使用“磁天气”来描述磁倾角的变化情况。1882年他发表了一篇名为“On a similarity between magnetical and meteorological weather”，探讨了地磁场和气象之间的相似性，并试图解释两者之间的联系。没过多久，也就是1884年，当时的《不列颠百科全书（Encyclopedia Britannica）》将“地球磁场（terrestrial magnetism）”收录在了气象学下面，并且“磁天气”这个词在其中出现了非常多次。这样的发展一直持续到了20世纪中期，“磁天气”甚至成为了普白话的一部分，在一些诸如纽约时报的报刊上都可以看得到。紧接着，在国际地球物理年（International Geophysical Year）中，“electrical weather”也变得开始慢慢多了起来，当时就是指电离层和磁层之间的相互耦合【Ewing，1957-1959】。

虽然在最初，“太阳天气”和“磁天气”被普遍认为是毫无关联的，但是发生在19世纪的两件事情却在促使着人们重新对这些词汇进行思考。第一个是Sabine在1852年提出的太阳黑子周期和地磁扰动之间的联系。第二个则是1859年发生的空间天气历史上最为著名的“卡灵顿事件（Carrington event）”。不幸中的万幸，“卡灵顿事件”发生时，人类整体科技较为落后，并不像现在有这么多的人造卫星和现代化的电力传输系统，否则这次耀斑爆发对地球上的很多产业将会是毁灭性的破坏。之后，太阳物理和地磁学走的越来越近，随之而来的是新的产物的诞生。意大利的天文学家Giovanni Battista Donati记录了1872年2月的极光爆发并且也在试图寻找极光产生的物理机制，最重要的是他提出了“宇宙气象学（cosmic meteorology）”这个崭新的词汇。紧接着他还试图利用太阳和地球之间的电磁流来解释地球上极光的产生。他不仅仅发明了“宇宙气象学”这个词汇，最重要的是他在当时就深入探讨了目前空间天气学关注的部分内容。不幸的是，Donati在一年后就去世了，没有办法再继续推广“宇宙气象学”这一全新的概念。“宇宙气象学”主要是通过法国天文学家Herve Faye的著作进入英语世界的，他在1874年写对这一词汇进行了描述。然而，他对于该词汇的理解和Donati有所不同：他讨论了太阳、月亮、行星对地球上气象的影响【Faye，1874】。随后的事情就有点让人失望了，没过多久，Donati 当时提出的“宇宙气象学”就被淹没在了传统的气象学之中，很多人认为“宇宙气象学”就是研究太阳对地球辐射的变化规律。进入20世纪之后，慢慢的就没有人再提及“宇宙气象学”这一词汇了。一直到1956年的时候，Lyman Spitzer提出了“星际气象学（interstellar meteorology）”，虽然看似和Donati提出的“宇宙气象学”较为相似，但是Spitzer更关心的是行星际介质，而不是现在空间天气学所关心的日地关系。虽然在意义上产生了很大的分歧，但我们也应该感到万幸，起码终于有人提出类似的东西了（汗）。

那么我们现在所说的空间天气学又从何而来呢？1953年的Journal of Geography上刊登过一位初中教师Fred Hague所写的科普文章。文章中设定了外星人访问地球的场景，在讨论外星人可能会问的问题时，他写道:“既然我们已经习惯了空间天气，那么地球上的气候适合我们吗?”显然，这篇文章并不会被相关从业者所阅读到，所以虽然文章中提到了“空间天气”这一词汇，但是其并不具有对学术界的影响。

接下来事情终于步入了正轨（-_-||）。1957年，Science News Letter上一篇科学新闻快报文章中引用了天文学家Lyman Spitzer对星际介质的研究，并且对他当时的一些理论进行了一定程度上的解释说明。紧接着1959年的一篇名为“Chart Space ‘Weather’”的文章讨论了当时Explorer VI对于辐射带的相关探测结果（1958-1959年范艾伦发现了地球辐射带，所以地球辐射带也被称为“范艾伦带”）。第三次出现是在1964年的Science News Letter上，文中提到“一些科学家，他们正试图建立一个空间天气局（space weather bureau），以便可以给宇航员提前预报太阳风暴”【 Wingo ，1964】。

在20世纪60年代，随着卫星的发展，空间天气这个词还有另一个意义，特指运行在近地空间中为气象预报服务的卫星（Space Weather Station）。除了这层意思之外，我们现在所说的空间天气慢慢的出现在了相对主流的学术界和场所中。1964年，Robert White（美国气象局局长）在一次会议上提出：“在科罗拉多州博尔德建立一个联合小组，研究空间天气预报的相关问题”【 Weather Bureau，1964】。这个当时这个名为SDFC（Space Disturbance Forecast Center）的机构正是目前大名鼎鼎的SWPC（Space Weather Prediction Center）的前身。几乎同时，在1967年，空间天气这个词也出现在了没成立多久的ESSA（Environmental Science Services Administration）的相关技术报告中，这个ESSA正是美国国家海洋和大气管理局（NOAA）的前身【Georges，1967】。在公众媒体方面，美联社在这段时间曾经报道过如何利用火箭来探测空间天气。1965年，Patrick Moore在BBC的一档节目中也分项了关于空间天气的故事。在Moore对天文学家Ken Fea的采访的文字记录中，Fea说：“‘空间天气’这个有趣的短语是由一位美国科学家创造的。在太空时代之前，我们曾把同样的话题称为‘日地关系’”。20世纪60年代后期，空间天气便被广泛的应用起来了。

那么，“空间天气”这个词汇的发明者究竟应该给谁呢？自19世纪中期以来，从术语和科学领域的发展来看，答案似乎都没有那么简单。“太阳天气（solar weather）”和“磁天气（magnetic weather）”是和“空间天气”特别类似的术语，但是这两者分别都是目前空间天气所关注内容的一部分，并不能代表真正意义上的“空间天气”。上文中提到的意大利天文学家Donati是第一个给这个科学命名的人，但是“宇宙气象学”和“空间天气”之间似乎还有着细微的差别。Lyman Spitzer所说的星际气象学似乎是Science News Letter上科技文章撰稿人的灵感来源，这位撰稿人提出了更为形象和准确的词汇——空间天气。那么，这位撰稿人是谁呢？根据Walter Wingo（Science News Letter的发行人，Science Service的前编辑）的说法： “我认为‘空间天气’的发明者是已故的Watson Davis。1957年还是Science News Letter编辑的他毕生致力于科普事业，经常会想出来一些便于大家传播的词汇”。

但是话又说回来，如果不是Donati英年早逝，我们现在很可能看到的并不是“空间天气”，而是“宇宙气象学”。

你认为是谁创造了“空间天气”这一词汇呢？ :D

参考文献：

Cade W. The Origin of "Space Weather"[C]// NOAA Space Weather Workshop. 2015.

魏奉思. 空间天气学[J]. 地球物理学进展, 1999, 14(S1):1-7.

魏奉思. 空间天气学的基本问题[J]. 中国基础科学, 2000(7):9-13.

Kane R P. The idea of Space Weather – A historical perspective[J]. Advances in Space Research, 2006, 37(6):1261-1264.

太阳活动对人类的影响，王章敏，中国气象报，1991.

王劲松, 吕建永. 空间天气[M]. 气象出版社, 2010.

王水, 魏奉思. 中国空间天气研究进展[C]// 纪念中国地球物理学会成立60周年专辑. 2007:1025-1029.

Herschel J F W S. Results of astronomical observations made during the years 1834, 5, 6, 7, 8, at the Cape of Good Hope; being the completion of a telescopic survey of the whole surface of the visible heavens, commenced in 1825[J]. London Smith Elder & Co.

Lockyer J N. The Recent Solar Eclipse[C]// Astronomy: Volume 2. Astronomy: Volume 2, 1970:230-233.

Ewing A. International Look at Earth[J]. The Science News-Letter, 1955, 67(3):42-43.

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