《国家重点基础研究发展规划》项目结题验收材料（一）项目结题总结报告项目名称：太阳剧烈活动与空间灾害天气项目编号：G2000078400起止年限：2000年— 2005年项目负责人：汪景琇研究员联系地址：北京朝阳区大屯路甲20号，邮编100012 中国科学院国家天文台主要承担单位：中科院国家天文台南京大学中科院紫金山天文台中国科技大学中科院地质与地球物理所中科院武汉物理与数学所项目依托单位：中国科学院中华人民共和国科学技术部制二〇〇五年十月1、项目结题基本信息表一973计划项目结题基本信息表项目编号：TG20000784002、项目主要研究内容和预期目标本项目着重研究太阳活动及其对人类生存的日地环境的影响，特别是太阳剧烈活动的成因，及在剧烈活动中爆发式增长的电磁辐射、高能粒子流、磁通量和磁化等离子体抛射对太阳风和行星际介质、磁层、电离层和高层大气的作用，从而形成空间灾害天气的物理过程，建立和发展空间天气预报的物理基础。
这是当代空间科学中最困难、最富挑战性和最能造福人类的多学科交叉的重大科学难题。
它适应面向21世纪的中国空间技术、空间探测乃至空间产业的重大需求，并将对宇宙科学中的一个基本问题，带电物质与磁场的相互作用的研究，做出原创性的贡献。
这一项目是天文学、空间和地球科学相结合的基础研究项目。
它以奠定我国日地空间灾害天气预报的物理基础为国家目标，适应多学科交叉发展的趋势，聚焦于太阳的剧烈活动及其驱动的日地空间灾害天气的机理，力图在新的学科生长点取得原创性的科研成果。
按照计划任务书的构想，在这一研究中揭示的太阳变化和空间灾害天气的因果联系，形成的新的概念和理论，不但将为发展我国空间天气预报准备必要的科学基础，而且将为我国空间天气地基和空间观测网的建设等大科学工程做理论和概念准备。
2.1 主要研究内容1）太阳剧烈活动的能源来自磁场，系统地研究导致剧烈太阳活动如耀斑、日冕物质抛射（CME）的向量磁场结构、演化，取得定量的观测结果，以独立磁拓扑之间的相互作用来理解和构筑唯象和数值模型，乃至物理模型，为理解剧烈太阳活动形成的物理机制和其中粒子加速等高能物理过程，为太阳活动预报提供物理基础。
这一研究是关于太阳活动的磁活动机理的研究，包括活动区向量磁场的结构和演化的系统观测，活动区电流、磁螺度和拓扑奇异性的观测和理论研究，活动区和大尺度磁场的理论外推和数值模拟。
2）充分利用国际空间观测、特别是SOHO、TRACE、和刚刚投入工作的Hessi 等最新的观测，结合我国地面观测等多波段资料进多波段自洽的物理诊断和分析，建立耀斑、CME的磁流体力学和辐射大气动力学模型，系统地理解其中初始能量释放，粒子加速和传播，以及等离子体响应过程，以利于理解太阳输出变化对背景太阳风和行星际的影响过程。
在这一研究中将综合地面和空间多类数据和多波段的系统分析，并与磁场观测相结合，理解对空间天气有重要影响的耀斑、CME、空间暴等的形成机理。
3）发挥我国世界先进水平的太阳和日地物理观测系统的作用，取得从太阳表面向量磁场演化、太阳剧烈活动的时空结构、动力学，即包括扩展的日冕物质抛射、行星际激波、磁量重联、磁暴、磁亚暴，空间离子暴和电离层暴的多学科多波段的光谱、频谱、成像和流量的时间演化系统，从而认识空间灾害天气形成中的因果联系和基本物理问题。
研究太阳风和CME与磁层的相互作用，磁层与电离层耦合，电离层与中层和热层大气的耦合，以理解空间天气事件的形成和各个天气链条间的能量传输过程。
4）把太阳大气、太阳风、日球作为一个积分系统，研究其中爆发式事件发生和发展过程，形成对空间灾害天气的检测、预报、预警的科学概念、方法和模式。
对空间天气的可预报性、预报必需的观测基础、作为预报依据的主导性的物理规律、预报的不确定性及我国空间天气预报的发展战略得到初步的结论性的意见。
2.2 预期目标1）在空间天气过程的关键环节取得突破性进展。
预计可望取得重大突破性进展进展的方面包括太阳向量磁场的演化、耀斑中的粒子加速、CME的太阳源区认证、太阳风加速机制、空间暴的形成机理、磁暴磁亚暴理论模型、我国电离层暴的发展规律，以及空间天气的物理预报的原理等。
2）对空间天气总体过程的时空结构得到更为清晰的物理图象，如日地空间多个层次对太阳输出剧烈变化的时空响应和因果关系。
通过几个重大空间天气事件的系统观测的分析研究，理清基本的链条和其中决定性的物理过程，在空间天气综合研究上取得重要进展。
3）为保证我国不迟于发达国家能在2005年前后开展实时空间天气预报提供决策和物理基础。
提出对中国国家空间天气实施计划的咨询意见。
4）为我国21世纪日地空间科学探测做好科学积累，提出新的突破性的思路和概念，在项目结束时能形成一两个大型空间计划的初步方案。
通过项目的实施，一个基本的目标是实质性地提高我们的原创能力，并在太阳剧烈活动和空间灾害天气研究中在国际上取得足够的显示度，真正占有一席之地。
3、项目研究计划的完成情况项目集中了我国太阳物理、空间科学、地球物理和中高空大气物理学领域一批最优秀的学者。
在国家目标和学科发展趋势的导引下，项目组完满地完成了预定的研究计划，取得了一些重要的原创性研究成果，并在相关研究领域产生了重要的国际影响。
项目组成员在项目执行期间获国家自然科学二等奖两次、国家科技进步二等奖一次，一名成员被选为中国科学院院士，11名青年学者获国家基金委杰出青年基金和“百人计划”支持。
项目组五年来发表SCI论文628篇，其中SCIENCE 1篇；应邀在国际最著名的《天文学和天体物理学年鉴》（Ann. Rev. Astron. Astrophys.）发表评述论文1篇，这是中国天文学家首次获此殊荣，在这一最高层次的综述杂志发表论文；在重要国际会议作大会特邀报告77次（不含双边国际会议），包括在国际天文联合会（IAU）、空间研究委员会(COSPAR)等编号学术会议16篇和国际天文联合会等地区性学术大会特邀报告26篇。
项目执行期间发表的部分论文已得到国际同行700多次的SCI独立引用，多篇工作被收入国际新进出版的教科书。
从2002-2004年一年一度关于整个天体物理的年评中（PASP, Trimble & Aschwanden）项目每年被评述的论文平均为18次。
项目组成员作为科学和地区委员会主席，组织召开了国际天文联合会第226次学术大会，推动了国内外对“日冕和恒星物质抛射”的研究。
项目组充分发挥我国已建立的具有国际一流水平的磁场望远镜、射电宽带动态频谱仪和有特色的太阳二维成像频谱仪等观测仪器的作用，充分利用国外空间观测资料，在太阳活动区和太阳剧烈活动的三维结构、时空演化过程、形成机理等研究方面，取得重要进展，在取得重要的观测研究成果的同时，提出了一些有影响的半定量和定量的物理模型，得到国际学术界的承认；取得了对本次太阳周两次最重大的太阳爆发事件（2000年7月的Bastille事件和2003年10-11月的Halloween事件）从太阳向量磁场演化和表面磁活动到日地空间扰动、磁层空间暴和电离层暴等的完整的时间序列和物理图象。
在国际上率先发表了对它们的研究成果，并由汪景琇在国际上建议和组织，为权威刊物Solar Physics组织了对Bastille事件的研究主题卷（Solar Phys. 2001,204）。
项目有关课题组取得了本次太阳活动峰期国际上最完整的太阳向量磁场观测资料，为我国和国际太阳物理研究做出了重要的贡献。
项目组在四年多的研究工作中，努力强化现有的太阳物理和日地物理观测能力，发展新的探测手段，实质性地抬升了我国日地物理的实测能力。
完成了目前世界上最大口径的对称光路真空太阳望远镜的设计工作，解决了地平支撑、像场消旋、真空密封、高精度跟踪、Stokes光谱测量和数据获取等技术难题，研制完成了太阳塔的机械、电控系统，完成了厂内组装和两次机电联调，达到了预期的结果。
项目组为日地空间科学探测努做了重要的科学积累，发展了突破性的新的思路和概念。
项目组成员为我国第一个科学卫星“双星计划”的实施作出了不可取代的贡献，又作为首席科学家先后提出了中法“太阳探测小卫星计划(SMES)”和在日地L1点进行空间天气监测的“夸父计划”，并进一步凝炼了空间太阳望远镜（SST）的科学目标。
这三个空间计划都得到国防科工委民用航天项目的预研立项，为未来10-20年我国太阳和空间科学探测保持了强大的储势。
为实现适时开展我国空间天气预报的国家目标，项目组组织了以“中国国家空间天气计划”为主题的香山科学会议，在会议简报中提出了关于中国国家空间天气计划的战略性思考；最近，以项目的研究成果为基础，进一步组织了关于国家空间天气实施计划的讨论，完成了呈报国家科技部的建议书，为制定国家空间天气实施计划提出了系统的科学论证。
各课题组完成计划任务的详细情况已展示在各课题组的总结报告中，在项目总结中将不再一一陈述。
4、项目研究成果的水平与创新性项目的研究成果表现在多学科的前沿领域和交叉领域。
主要研究成果具有原创性，部分成果具有国际领先水平。
作为涵盖太阳物理学、行星际物理学、磁层物理学、电离层物理学、中高层大气物理学和地球物理学等多学科领域的研究计划，项目的研究成果是大尺度和多方面的，涉及太阳和空间物理的基本问题。
项目的研究成果体现在：1）在重大前沿方向的观测积累和重要的观测发现，2）提出和发展的在国际上有影响的理论模型和理论计算，3）在太阳和空间科学一些最基本的学科问题上的重大进展，4）形成对学科研究有重要影响的创新集成研究。
这一总结通过列举部分原始创新性研究成果以阐明成果的水平和原创性。
4.1 太阳向量磁场的可靠观测和关于太阳向量磁场结构与演化的领先研究太阳向量磁场的可靠测量在太阳活动和空间天气研究中具有最重要的意义。
它对太阳剧烈活动中基本物理过程的诊断和理论模型的检验是决定性的。
项目组系统检验和完善了国家天文台怀柔太阳观测基地太阳向量磁场测量的理论定标（Su & Zhang 2004a），从理论和实测两方面定量分析了磁光效应对磁场测量的影响(Su & Zhang 2004b)，通过对不同太阳天文台（怀柔太阳观测基地、美国夏威夷大学MEES天文台、日本国立天文台）的矢量磁场观测的详细比对，确定了怀柔向量磁场观测的可靠性和不确定性，评估了当代太阳向量磁场测量的现状和前景（Zhang et al.2003）。
这些工作是实测研究中最具基础性的工作，是基于向量磁场观测的太阳物理研究的基础，对各国学者的向量磁场观测研究有重要的参考价值。
基于向量磁场的观测和理论研究取得重要进展。
通过把太阳活动区电流分解成涡旋分量和剪切分量，张洪起（2001）揭示了电流螺度与观测的磁场剪切与梯度的内在联系，并用于太阳活动区磁场的研究，为国际同行向量磁场研究所借鉴。
