在我们这个时代，发射人造地球卫星和地球物理火箭，已是司空见惯，不足为奇。获取天气预报所需的气象资料，是人造地球卫星众多任务中的一项很重要的任务。但是，今天实际所需的不只是大气最低层的气象资料，而且还需要大气高层的宇宙气象状况。

掌握地球大气层和宇宙气象变化的特点，对于宇航初无线电通讯非常重要。为此，苏联国家水文气象委员会专门设置宇宙气象站，对宇宙气象进厅预测和预报，及时向有关部门提供必需的气象资料，特别对于危及宇宙飞船乘员生命和可能造成无线电通讯破坏的一些近地宇宙的重要资料。为了协调这些工作，在应用地球物理研究所还建立了宇宙气象预测中心，它负责收集宇宙气象的信息，是宇宙气象预测和预报系统的心脏。

什么是宇宙气象

高层气象首先是同温层和电离层，此外还有磁层、辐射带和行星际磁场。这些高层气象综合起来称为宇宙气象。

若欲详细叙述近地宇宙因太阳活动而产生的全部现象，需要很大篇幅，并且需要阐明地球高层大气的复杂结构，因此本文只介绍一些基本的地质——地球物理效应，这些效应在建立近地信息的收集和处理系统，以及预报宇宙气象方面都相当重要。

假如太阳上发生爆炸，那么过了8分钟，地球电离层就会受到影响。在电离层最下部60 ~ 90公里处，由于X射线辐射加强，离子化急剧增长。离子化增长到一定程度时，会导致在地球整个半球上的短波无线电通讯全部停止。经过10 ~ 20小时后，地球获得高能质子。地球的磁场阻碍质子穿透到纬线中部，把它们“抛到”极区带。高能质子在这里又使下部电离层引起强烈的离子化，并且几乎把整个极区的无线电线路上的短波完全吸收。

假如质子流和质子能量非常大，那么它们就会威胁到宇宙飞船乘员的生命。这种情况在太阳爆发相当强大时是会发生的。防止可能产生的X射线伤亡危险成为近地空间监视系统的重要职能之一。

紫外线对宇宙气象也有影响和作用。当紫外线流增强时，高层大气的温度提高。那里，150 ~ 200公里高度正好是大多数人造卫星飞行的地方，温度增高的结果，大气层的密度发生了变化，而密度，正好是影响卫星轨道随时间而变化的参数。

在宇宙里有自己的风——太阳风。这是太阳发射的带电粒子流（基本上是质子和电子）。太阳风对地球的磁层有巨大影响。太阳活动变化时，也改变了太阳风的性质。譬如，太阳发生爆发后几小时，太阳风的风力（带电粒子流的强度）急剧增强，然后风力开始强烈地“作用”和压缩磁层，引起磁层变化，这些现象称为磁暴。伴随着磁暴产生一系列现象：地球的电离层性质发生了变化，从磁层“射入”高纬度的高层大气的电子流引起极光扰动，地球表面的磁场以及高层大气的密度都发生了变化。这些事件直接影响到无线电通讯、导航、人造卫星的飞行轨道等。至于其它的后果y诸如对收成、旱灾、人类健康状况的影响等，尚待进一步研究。

宇宙气象的各种各样的现象，不再赘言，只对电离层暴的发生和发展进行详细说明。

电离层常被称为“行星的魔镜”，因为它具有反射无线波的能力，这样有可能用短波和中波进行远距离无线电通讯。重要的是能反射回地球进行远距离通讯的这些无线电波频率，存在着自然上限。这个边界取决于电离层本身的状况，即取决于在250 ~ 300公里高度的F2层的最大电子密度，这个界限被称为《临界频率》，并以fo F2表示。这个参数的物理意义非常简单，频率小于fo F2的无线电波被电离层反射回地球，而大于该频率的无线电波就穿过电离层而进入宇宙空间。临界频率值愈大，可用于远距离无线电通讯的频率范围愈宽。

通讯工作者随时进行监控，使得工作频率不超过fo F2。在一般情况下，这并不末难，因为fo F2规律性地随一天不同的时间而变化。但是《宇宙恶劣天气》发作时，电离层暴开始，值发生剧烈变化。在某些时刻，值可比平时的典型值大二倍（10 MГц），而在另一些时刻，它又只有典型值的二分之一至三分之一，导致远距离无线电通讯能力减弱到最小程度（低于1 ~ 2 MГц，因无线波吸收而发生的另一类极限）。大概毋需再更多解释，从事无线电舞波通讯的人们对于了解fo F2当前值和预测未来值是多么的重要。

从以上关于宇宙气象的简短说明，可清楚地看到，对宇宙气象的预测，必须观察和综合分析大量的各种物理参量——从各波段的太阳射线强度到无线电波的反射频率。

怎样监视宇宙气象

宇宙气象述及近地宇宙各领域的许多因素。因此，若欲及时监视它的变化状况，必须要建立相当庞大的观察系统。

当然，观察系统必须包括地面观察设备。近地宇宙的大量信息，可以从地球表面直接取得。譬如第一，关于磁场的变化，它反映了太阳风和磁层所发生的强烈的变动；第二，关于电离层的特性。这些都可以从地球表面测得。传统的电离层探测法，如无线电波垂直探，测和斜向探测，用这种方法可以测得电离层基本特性参量。

地面观察可以提供（数百年来一直提供着）关于太阳的有价值的特性参数和变化状况。近数十年内，在观察太阳活动的光学仪器中增加了射电望远镜。用射电望远镜进行研究非常重要，因为无线电辐射比光辐射更密集，有利于观察太阳的活动区域。从宇宙气象观点来看，太阳活动的观测具有头等重要意义。

那么地面观察对于掌握整个日地物理学状况还有什么不足呢？为什么必须要在卫星上观测呢？

首先，关于高能质子和电子的变化状况，其次关于太阳辐射（紫外线、X射线）的强度，最后，关于在此时刻的行星际磁场状况。无论是高能粒子、也无论是短波辐射，都不能穿透70 ~ 100公里以下的大气层。而就是它们对于近地空间发生的大量事件具有重大影响。若不对它们进行监视，宇宙气象的预测和预报是不可能的。这就是说，除了地面观测以外，还必须利用宇宙仪器进行观测。

虽然从地球上可以测得电离层的基本特性参量，但是不全面，而且也不能从各地测到。在地球广大地域，诸如海洋，都没有电离层观测站，而对于无线电通讯来说，非常需要关于全地球范围的电离层信息。此外，从地球探测，对于250 ~ 300公里以上的电离层特性则不能测得。而对于宇宙飞船间的无线电通讯，须要知道300 ~ 350公里高度的电离层状况。这些问题，都可由装有电离层探测装置的人造地球卫星解决。人造地球卫星可以执行三个职能：从上面直接测定电离层特性，以确定它在300公里以上的状况；用地面站所采用的无线电波照透电离层；在卫星轨道高度（譬如说1000公里）直接测量电离层参量。

利用人造地球卫星可以观测太阳的短波辐射，因为无论X射线，也无论紫外线，在200 ~ 250公里以上的大气层，都不会受到明显的吸收。这项任务，在地球物理研究工作中是由《流星》号卫星完成。这些型号的卫星，原来曾用来观测一般天气。它们的飞行高度在900 ~ 1000公里，能穿越电离层和磁层，可监视高能粒子，测量辐射带内的高能粒子流。通过卫星的观测，就可能评估地球物理状况和对宇宙飞船的潜在的辐射危险。

上面所讲的一切对于监视和预报宇宙气象已足够了吗？对于监视来说，够了；而对于预报来说，不够。因为对于宇宙气象预报，还必须超出地球磁层的界限，测定行星际磁场和太阳微粒辐射（包括太阳风）的特性，并且须要非常清楚地知道它们与地球磁场的相互作用。除此以外，还须力求观测从地球上看不到的太阳一面，因为那些活动区域到明天、后天、几个星期后就出现在太阳的《我们的》—面，它们可能会引起宇宙气象的变化。这些活动区域的发生和发展，今天我们还是看不见的天体的一面。假如我们须要及时知道这些变化，那边的信息对我们是必不可少的。

鉴于上述情况，第一项任务是通过《预报》型卫星解决，它的远地点飞行轨道离地球有几个地球半径；第二项任务利用宇宙飞行器（以太阳为中心的卫星）解决，它的轨道绕太阳飞行。由此可知，宇宙气象的有效监测和预报、须要有四个层次的观察系统：地面站观测、低层人造地球卫星、高层人造地球卫星和日心卫星观测。

数据处理和计算机应用

在近地空间各层次对宇宙气象观测，远非完成了全部工作，尚需随时收集、汇总和比较所得数据，然后提供给用户。要完成这些工作并非容易，因为从观测系统所得的数据，从内容和形式上来看是多种多样。譬如，观测太阳无线电辐射的射电望远镜、在一天时间内可能只有一个值（如没有特别现象——无线电骚动）。可是《电离层探测器》卫星发送给接收站的信息，一小时约有几十幅电离层特性图。特性图描述了无线电反射频率在高度上100个点的分布状况。

观测系统收集到宇宙气象数据后就进行以下处理：把日地物理数据传递给宇宙气象预测中心，综合处理收到的数据，积累和贮存数据，按要求的形式提供数据，预测日地物理状况的某些特点，向用户供给当前预测的宇宙气象。

许多用户对电离层情况要求提供某时刻的全球电离层特性图。为了满足类似的要求，宇宙气象预测中心利用了全球电离层模型。

电离层是非常复杂的多参量系统。电离层特征是随纬度和经度、地表高度、时间、季节、太阳和地磁活动状况等而变化。现在已研制了电离层数学模型和经验模型，它是在经验数据基础上综合成公式或图表形式。尽管电离层变化多端，地球各部也各不一样，但所有这些变化都是相互联系的。所以我们认为，利用电离层模型，现在是可行的，将来也仍是解决电离层全球状况预测和预报最有前途的方法。

现在，在这方面已经做了大量工作。在宇宙气象预测中心的中央处理机已经利用了全球电离层状况的半经验模型。预测中心现在所用的电离层模型，最重要的是要不断适应当前日地物理状况。预测中心所观测到的数据须不断输入模型。这样，模型一直在《呼吸》，正确地反映了电离层的变化。

据以上可知，宇宙气象预报是件非常重要，也是非常困难的工作。原则上说，我们希望宇宙气象预报过程全部实现自动化，但今天尚不可能达到，因为大多数现行的方法，还都带有研究性的。当然，现在已取得一些成就。许多预测方法，诸如对当前数据进行纯外推法或者按照过去类似情况进行选分法，已经可以部分自动化。这样，宇宙气象预测中心现在已能根据用户的申请，用电子计算机计算出各条线路上无线电通讯的最佳工作频率。用外推法能自动编制和预报6和12小时的电离层状况。在其它预报方法中，现在采用（将来还将积极采用）通过电离层模型绘制的电离层全球状况图。

对模型最简单的处理法，是把当时的太阳和地磁活动的指数作为输入参数，所谓当时是指需要提供电离层预报的那个时间。但是这样的处理，目前仅限于低、中纬度，而高纬度电离层用模型绘制非常困难，因受到几乎不断的扰动的影响。这些扰动从其范围、时间、高度等各方面来说，都各不相同，所以仅仅更换太阳和地磁活动的指数是不可能绘制的。这就是为什么现在积极创造预报模型，就是为了高纬度电离层。在这样的模型里，作为输入参数需要的宇宙气象特征（太阳风微粒流及其能量、行星际磁场的符号和其它等）远比中纬度电离层模型要多。

最后再次强调，电离层特征的变化性很大，但我们认为，利用电离层模拟和使用大功率计算机，对电离层状况和无线电波分布的全球预测和预报问题，是可以解决的。

[Прнрода，1987年No 9]