王赤 任麗文（中國科學(xué)院空間科學(xué)與應(yīng)用研究中心）

日地空間探索之旅
—空間物理探測最新進(jìn)展與展望（上）

王赤 任麗文（中國科學(xué)院空間科學(xué)與應(yīng)用研究中心）

空間物理研究開始于地基監(jiān)測，人類很早從極光、氣暉、天電、潮汐等現(xiàn)象開始了地面的觀測研究，隨后利用氣球、火箭進(jìn)行了臨近空間的探測。空間物理學(xué)的發(fā)展隨著航天技術(shù)和空間探測技術(shù)的發(fā)展而迅速發(fā)展起來了。自20世紀(jì)中期的半個世紀(jì)以來，人類發(fā)射了數(shù)百個航天器用于空間物理探測。

1　國際空間物理探測發(fā)展階段

1957年，世界第一顆人造地球衛(wèi)星上天，標(biāo)志著人類進(jìn)入了空間時代。其后短短50多年，人類對自身的生存環(huán)境有了全新的認(rèn)識，除了陸地、海洋和大氣之外，人類的生存和發(fā)展與空間環(huán)境息息

相關(guān)，即地球處在從太陽發(fā)出的超聲速等離子體流和磁場的包圍之中。地球的空間系統(tǒng)由大氣層、電離層和磁層構(gòu)成，它和太陽大氣、行星際介質(zhì)一起構(gòu)成相互耦合的系統(tǒng)—日地系統(tǒng)。來自太陽的能量、動量和質(zhì)量輸出的變化，制約著地球空間環(huán)境的形成、結(jié)構(gòu)和變化。

空間物理學(xué)是伴隨人造地球衛(wèi)星發(fā)射進(jìn)入空間而迅速發(fā)展起來的一門新興的多學(xué)科交叉的前沿基礎(chǔ)學(xué)科，主要研究地球空間、日地空間和行星際太陽系空間的物理現(xiàn)象，研究對象包括太陽、行星際空間、地球和行星的大氣層、電離層、磁層，以及它們之間的相互作用和因果關(guān)系。人類特別關(guān)注的是地球表面二三十千米以上直到太陽大氣這一廣闊的日地空間環(huán)境中的基本物理過程，這是當(dāng)代自然科學(xué)領(lǐng)域最活躍的前沿學(xué)科之一。

20世紀(jì)90年代末是空間物理走向“硬”科學(xué)時代的一個新的發(fā)展階段，強(qiáng)調(diào)科學(xué)與應(yīng)用的密切結(jié)合，并且由此產(chǎn)生了一門專門研究和預(yù)報空間環(huán)境，特別是空間環(huán)境中災(zāi)害性過程的變化規(guī)律，旨在防止或者減輕空間災(zāi)害，為人類活動服務(wù)的新興學(xué)科—空間天氣科學(xué)。由于日地空間是人類空間活動的主要區(qū)域，由太陽活動引起的空間天氣現(xiàn)象對航天活動、通信、導(dǎo)航和國家安全等構(gòu)成嚴(yán)重威脅，因此，日地空間中的物理現(xiàn)象與規(guī)律，空間天氣及其對人類空間活動和生態(tài)環(huán)境的影響是空間物理探測和研究的中心任務(wù)。空間物理學(xué)天基探測的發(fā)展大致分為3個階段。

發(fā)現(xiàn)和專門探測階段

這個階段跨越20世紀(jì)60年代初到80年代末。整個60年代充滿了激動人心的空間新發(fā)現(xiàn)：人類發(fā)現(xiàn)了輻射帶的存在，發(fā)現(xiàn)和證實了太陽風(fēng)的存在，并相繼發(fā)現(xiàn)了太陽風(fēng)中存在激波、高速流、阿爾芬波和各種磁流體間斷面的存在。通過一系列科學(xué)衛(wèi)星，基本弄清了地球軌道附近的行星際空間環(huán)境，發(fā)現(xiàn)了地球弓形激波、粒子的激波加速和磁場重聯(lián)等基本物理現(xiàn)象的存在。在隨后的二三十年間，針對日地系統(tǒng)不同的空間層次，人們開始進(jìn)行目的性很強(qiáng)的專門探測，發(fā)射了一系列專項研究衛(wèi)星，使空間物理學(xué)向廣度和深度發(fā)展。在這些衛(wèi)星中，既有監(jiān)測和研究太陽活動的衛(wèi)星，也有探測太陽風(fēng)的衛(wèi)星，還有研究地球空間的衛(wèi)星；與此同時，人類也有計劃地探測了太陽系中的其他行星。目前，20世紀(jì)70年代末發(fā)射的探測器正在向宇宙深空急駛，旅行者-2（Voyager-2）于2007年8月到達(dá)了日球?qū)拥倪吘?終極激波)，2012年8月，旅行者-1離開日球?qū)舆M(jìn)入星際空間。

將日地系統(tǒng)作為一個整體來研究的階段

20世紀(jì)90年代，由于人類社會發(fā)展的諸多領(lǐng)域，如航天活動、通信、導(dǎo)航等高科技領(lǐng)域和國家安全的強(qiáng)烈需求，空間物理和空間天氣正迅速發(fā)展成國際科技活動的熱點(diǎn)之一。人們逐漸認(rèn)識到把日地系統(tǒng)整體作為一個有機(jī)因果鏈進(jìn)行研究的重要性。90年代中期，美國開始制定國家空間天氣計劃，準(zhǔn)備在10年內(nèi)完成空間天氣監(jiān)測體系，在物理和數(shù)值模擬方面建立從太陽到地面的空間天氣預(yù)報模式，實現(xiàn)常規(guī)及可靠的空間天氣預(yù)報，日本與歐洲也相繼制定了各自的空間天氣計劃。與此同時，國家空間機(jī)構(gòu)協(xié)調(diào)組織(IACG)開始整合各國發(fā)射的空間探測衛(wèi)星，形成新的國際日地物理（ISTP）全球聯(lián)測。在此基礎(chǔ)上，美國航空航天局（NASA）制定了“日地聯(lián)系”（SEC）計劃，并將空間天氣的連鎖變化確定為2000-2020年空間物理的主攻方向；而后國家空間機(jī)構(gòu)協(xié)調(diào)組織又在美國提出的“與日共存”（LWS）計劃的基礎(chǔ)上，提出了“國際與日共存”（ILWS）計劃，集中國際上各種空間探測衛(wèi)星，重點(diǎn)監(jiān)測日地聯(lián)系，以確?？臻g環(huán)境安全。

將太陽-太陽系作為一個有機(jī)整體來研究的階段

從21世紀(jì)開始，科學(xué)家將太陽-太陽系作為一個有機(jī)整體來研究，并強(qiáng)調(diào)空間物理探測和研究為空間探索保障服務(wù)。2005年2月，美國航空航天局發(fā)布了《探索新紀(jì)元：美國航空航天局2005和未來的發(fā)展方向》的報告，確定了18個新的戰(zhàn)略目標(biāo)，其中有關(guān)空間物理探測的戰(zhàn)略目標(biāo)是：“探索日地系統(tǒng)以了解太陽及其對地球、太陽系和載人探險之旅所必經(jīng)的空間環(huán)境條件的影響，試驗演示可以完善未來運(yùn)行系統(tǒng)的技術(shù)?！睘檫m應(yīng)美國航空航天局整體空間探索戰(zhàn)略目標(biāo)的轉(zhuǎn)移，其有關(guān)空間物理探測的“日地聯(lián)系”計劃正式調(diào)整擴(kuò)大為“太陽-太陽系聯(lián)系”（SSSC）計劃，其目的就是要把太陽、地球及月球、火星和整個太陽系作為一個有機(jī)的、相互聯(lián)系的系統(tǒng)進(jìn)行探索研究，為實現(xiàn)美國的國家目標(biāo)和美國航空航天局新的空間探索計劃服務(wù)。

2012年8月，美國發(fā)布了最新的太陽和空間物理10年戰(zhàn)略規(guī)劃—《太陽與空間物理：服務(wù)于技術(shù)社會的科學(xué)》。該報告提出了美國未來10年（2013-2022年）研究與應(yīng)用項目發(fā)展建議，其目標(biāo)是要提升對太陽活動爆發(fā)機(jī)制和近地空間等離子體動力學(xué)的基本物理過程的科學(xué)認(rèn)識，確定在日地耦合系統(tǒng)背景下的地球大氣各個圈層的相互作用，以及大幅提高開展符合實際和定制的地球空間環(huán)境預(yù)報的能力，更好地滿足社會的需求。

顯而易見，美國已經(jīng)踏上了空間探索的新征程，空間物理探測被賦予了新的歷史使命。歐洲、日本等主要航天國家和地區(qū)也紛紛制定了未來空間物理探測發(fā)展規(guī)劃。

2011年2月1日“日出”衛(wèi)星拍攝到的冕洞圖像

“日地關(guān)系觀測臺”衛(wèi)星示意圖

2011年6月1日“日地關(guān)系觀測臺”衛(wèi)星拍攝的合成的太陽圖像

2　國際空間物理探測的最新進(jìn)展

太陽-行星際探測

2011年2月1日，日本的“日出”（Hinode）衛(wèi)星拍攝到了太陽表面存在兩個冕洞，該圖像中一個冕洞位于太陽中心偏上位置，而另一個冕洞(極地冕洞)清晰地位于圖像底部。冕洞是太陽磁場間隙所形成的巨洞，穿過太陽超熾熱外大氣層(日冕)，氣體能夠通過冕洞向太空逃溢。這兩個巨大的冕洞比太陽表面其他區(qū)域色彩更暗，這是由于冕洞與鄰近活躍區(qū)域相比，其溫度相對較低。

美國研制的“日地關(guān)系觀測臺”（STEREO）衛(wèi)星于2006年10月25日在佛羅里達(dá)州的卡納維拉爾角空軍基地發(fā)射?！叭盏仃P(guān)系觀測臺”由2顆衛(wèi)星組成，分別位于地球繞太陽公轉(zhuǎn)的軌道前方和后方，形成對日觀測的立體視角，拍攝太陽的三維圖像。其主要科學(xué)目標(biāo)：研究日冕拋射事件從太陽到地球的傳播與演化，研究能量粒子的加速區(qū)域和物理機(jī)制，觀測太陽風(fēng)的結(jié)構(gòu)與性質(zhì)等。其主要科學(xué)載荷包括：①日地聯(lián)系日冕與日球探測包研究日冕物質(zhì)拋射從太陽表面穿過日冕，直到行星際空間的演化過程；②波動探測儀 (SWAVES)研究太陽爆發(fā)事件對地球的射電干擾；③原位粒子與磁場探測儀 (IMPACT)研究高能粒子和行星際磁場的空間分布；④等離子體和超熱離子構(gòu)件(PLASTIC)主要任務(wù)是研究質(zhì)子、α粒子和重離子的特性。

2011年6月1日，“日地關(guān)系觀測臺”拍攝到完整的太陽背面的圖像，這也是第一次由太陽觀測衛(wèi)星在軌道上拍攝到太陽另一面的情景，這個角度在地球上是看不見的。同時，通過運(yùn)行在日心軌道上的日地關(guān)系觀測臺-A、B的數(shù)據(jù)進(jìn)行組合，獲得了首張完整的太陽全景照片。

“太陽動力學(xué)觀測臺”（SDO）由美國于2010 年2月23日使用宇宙神-5運(yùn)載火箭發(fā)射，該項目是美國航空航天局的“與日共存”計劃的第一個步驟，旨在理解太陽及其對太陽系的生命有何影響?！疤杽恿W(xué)觀測臺”運(yùn)行在地球靜止軌道，運(yùn)行壽命為5年，能夠不間斷地對太陽進(jìn)行觀測。其主要科學(xué)目標(biāo)：利用多個譜段同時觀測太陽大氣的小時空尺度，了解太陽對地球和近地空間的影響。與以往的觀測相比，“太陽動力學(xué)觀測臺”將能更詳細(xì)地觀測太陽，打破長期以來阻礙太陽物理學(xué)發(fā)展的時間、尺度和清晰度方面的障礙?！疤杽恿W(xué)觀測臺”的主要有效載荷包括：日震磁場成像儀、大氣成像包（包括4臺望遠(yuǎn)鏡和10臺濾光器）和極紫外變化實驗儀。

“太陽軌道器”（SO）衛(wèi)星計劃于2017年由歐洲航天局（ESA）和美國合作發(fā)射，其主要科學(xué)目標(biāo)是飛到距離太陽達(dá)62個太陽半徑的地方，探索太陽表面、日冕與內(nèi)日球?qū)又g的關(guān)系。該衛(wèi)星將近距離對太陽大氣進(jìn)行高空間分辨率的觀測；第一次在距太陽最近的區(qū)域進(jìn)行粒子和場的原位探測；了解太陽表面活動與日冕演化及內(nèi)日球空間的聯(lián)系；從高緯探測太陽極區(qū)和赤道區(qū)日冕。

“太陽探測加強(qiáng)”(SP+）衛(wèi)星計劃于2018年由美國發(fā)射。其主要科學(xué)目標(biāo)是第一次飛往日冕，直接對太陽日冕進(jìn)行觀測，科學(xué)目標(biāo)為確定太陽日冕的加熱機(jī)制和太陽風(fēng)的加速機(jī)制，以及理解包括太陽風(fēng)在內(nèi)的日球演化過程。其主要有效載荷有：遙感儀、原位測量儀(對太陽風(fēng)離子和電子熱等離子體、超熱和高能粒子，以及從直流到高頻的磁場和電場進(jìn)行綜合測量)和側(cè)視成像儀(在2.2～20個太陽半徑處，提供了日冕中密度和塵埃的全球范圍內(nèi)和準(zhǔn)現(xiàn)場測量)。

2011年3月19日“太陽動力學(xué)觀測臺”觀測到的一次日珥噴發(fā)事件

“太陽軌道器”衛(wèi)星示意圖

“太陽探測加強(qiáng)”衛(wèi)星示意圖

5顆“亞暴事件時序過程及相互作用”衛(wèi)星在地球磁場中運(yùn)行的示意圖

“廣角中性原子成像雙星”衛(wèi)星的軌道運(yùn)行示意圖

地球空間探測

磁層空間探測發(fā)展的重要趨勢是空間的多點(diǎn)探測?！皝啽┦录r序過程及相互作用”（THEMIS）任務(wù)是由美國航空航天局、美國加利福尼亞大學(xué)洛杉磯分校和加州伯克利大學(xué)聯(lián)合研制的5顆衛(wèi)星組成，于2007年2月17日發(fā)射。其主要科學(xué)目標(biāo)：利用分布在不同空間區(qū)域的5顆相同衛(wèi)星確定磁層亞暴的起始和宏觀演化，解決亞暴的時空發(fā)展過程。其主要有效載荷包括電場探測儀、磁力儀、靜電分析儀和固態(tài)望遠(yuǎn)鏡（25keV～6MeV） 。

2008年2月26日，當(dāng)一個亞暴發(fā)生的時候，“亞暴事件時序過程及相互作用”衛(wèi)星正好位于地球的背陽側(cè)，可以觀測到磁尾重聯(lián)，同時地基觀測臺站觀測到了北美上空的極光增亮和電流。這些觀測結(jié)果第一次證實了磁場重聯(lián)觸發(fā)亞暴發(fā)生，觸發(fā)極光。

“廣角中性原子成像雙星”（TWINS）分別由美國于2006、2008年發(fā)射，其主要科學(xué)目標(biāo)為利用兩個能量中性原子成像衛(wèi)星對地球磁層進(jìn)行立體成像觀測，建立磁層不同區(qū)域的全球?qū)α鲌D像及其相互關(guān)系。主要科學(xué)載荷是中性原子成像儀（1～100keV、角分辨率4×4、時間分辨率1m）。

“中性成分與帶電粒子耦合探測”（CINDI）衛(wèi)星由美國于2008年4月16日發(fā)射。該計劃主要科學(xué)目標(biāo)：了解中性成分和帶電粒子相互作用對電離層-熱層行為的控制作用。主要科學(xué)載荷包括中性風(fēng)探測儀、離子速度探測儀。

“輻射帶風(fēng)暴探測”（RBSP）衛(wèi)星（或稱“范艾倫探針”）于2012年8月底由美國發(fā)射，屬于“與日共存”計劃。該衛(wèi)星用于了解輻射帶粒子加速的物理機(jī)制，以便更好地理解太陽對地球以及近地空間的影響。其科學(xué)目標(biāo)有：①研究內(nèi)磁層輻射帶和環(huán)電流區(qū)域中相對論粒子的加速、傳輸和損失過程；②研究和激波相關(guān)的輻射帶的形成和耗散；③定量研究粒子的絕熱和非絕熱加速過程；④研究輻射帶高能粒子的“種子”或粒子源的變化；⑤研究環(huán)電流的變化及其對高能粒子的影響；⑥輻射帶粒子的數(shù)據(jù)同化和模型研究。主要科學(xué)載荷有粒子和熱等離子體探測儀、電磁場探測儀、電場和波動探測儀、輻射帶探測器離子成分探測儀和相對論質(zhì)子能譜儀。

“磁層多尺度任務(wù)”（MMS）計劃由美國于2015年3月發(fā)射。其科學(xué)目標(biāo)是通過4顆相同的衛(wèi)星，利用地球磁場作為實驗室來了解微觀物理機(jī)制，如磁場重聯(lián)、粒子加速和湍流，并在前所未有的重聯(lián)觸發(fā)的小尺度上了解磁場重聯(lián)的物理過程。主要科學(xué)載荷有等離子體分析儀、能量粒子探測儀、磁強(qiáng)計和電場儀。

“輻射帶風(fēng)暴探測”衛(wèi)星在軌示意圖

“磁層多尺度任務(wù)”衛(wèi)星示意圖

3　空間物理探測發(fā)展趨勢

從分析國際空間物理探測的最新進(jìn)展中可以歸納出空間物理探測的主要發(fā)展趨勢，主要表現(xiàn)在以下幾個方面。

1）進(jìn)一步開展日地系統(tǒng)整體聯(lián)系過程的研究，并延拓為太陽-太陽系整體聯(lián)系，天基與地基相結(jié)合的觀測體系將日趨完善。以衛(wèi)星、探測器、空間站等航天器為觀測平臺的天基探測是空間物理探測最主要的手段，它可直接探測空間環(huán)境的各種就地數(shù)據(jù)，利用有利位置獲得地面所不能獲得的空間環(huán)境遙感數(shù)據(jù)。

2）探測區(qū)域向空間天氣的源頭—太陽不斷逼近。這樣有利于認(rèn)識太陽活動物理過程和影響，進(jìn)而形成從太陽源頭、行星際傳播到地球空間響應(yīng)的整體觀測。

3）多顆衛(wèi)星的聯(lián)合探測成為主流。立體探測、時空區(qū)分、多空間尺度探測成為空間物理探測的前沿，只有實施聯(lián)合探測，才能了解關(guān)鍵區(qū)域、關(guān)鍵點(diǎn)處擾動能量的形成、釋放、轉(zhuǎn)換和分配的基本物理過程，深入揭示其物理過程的本質(zhì)。

4）注重不同尺度的耦合研究，太陽風(fēng)-磁層，地球空間內(nèi)部的耦合機(jī)制和耦合關(guān)系研究越來越重要。（未完待續(xù)）

A Voyage of Solar-Terrestrial Exploration: Latest Progress and Prospects of Space Physics Detection(Part I)