日地空間探索之旅
—空間物理探測(cè)最新進(jìn)展與展望（上）

王赤 任麗文（中國(guó)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(cè)最新進(jìn)展與展望（上）

王赤 任麗文（中國(guó)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(cè)，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(cè)研究，隨后利用氣球、火箭進(jìn)行了臨近空間的探測(cè)。空間物理學(xué)的發(fā)展隨著航天技術(shù)和空間探測(cè)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(gè)世紀(jì)以來，人類發(fā)射了數(shù)百個(gè)航天器用于空間物理探測(cè)。

1　國(guó)際空間物理探測(cè)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(shí)代。其后短短50多年，人類對(duì)自身的生存環(huán)境有了全新的認(rèn)識(shí)，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(chǎng)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(dòng)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(duì)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(shí)代的一個(gè)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(bào)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(dòng)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(dòng)的主要區(qū)域，由太陽活動(dòng)引起的空間天氣現(xiàn)象對(duì)航天活動(dòng)、通信、導(dǎo)航和國(guó)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(duì)人類空間活動(dòng)和生態(tài)環(huán)境的影響是空間物理探測(cè)和研究的中心任務(wù)。空間物理學(xué)天基探測(cè)的發(fā)展大致分為3個(gè)階段。

發(fā)現(xiàn)和專門探測(cè)階段

這個(gè)階段跨越20世紀(jì)60年代初到80年代末。整個(gè)60年代充滿了激動(dòng)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(shí)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(chǎng)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(duì)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(cè)，發(fā)射了一系列專項(xiàng)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(cè)和研究太陽活動(dòng)的衛(wèi)星，也有探測(cè)太陽風(fēng)的衛(wèi)星，還有研究地球空間的衛(wèi)星；與此同時(shí)，人類也有計(jì)劃地探測(cè)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(cè)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(gè)整體來研究的階段

20世紀(jì)90年代，由于人類社會(huì)發(fā)展的諸多領(lǐng)域，如航天活動(dòng)、通信、導(dǎo)航等高科技領(lǐng)域和國(guó)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(guó)際科技活動(dòng)的熱點(diǎn)之一。人們逐漸認(rèn)識(shí)到把日地系統(tǒng)整體作為一個(gè)有機(jī)因果鏈進(jìn)行研究的重要性。90年代中期，美國(guó)開始制定國(guó)家空間天氣計(jì)劃，準(zhǔn)備在10年內(nèi)完成空間天氣監(jiān)測(cè)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(bào)模式，實(shí)現(xiàn)常規(guī)及可靠的空間天氣預(yù)報(bào)，日本與歐洲也相繼制定了各自的空間天氣計(jì)劃。與此同時(shí)，國(guó)家空間機(jī)構(gòu)協(xié)調(diào)組織(IACG)開始整合各國(guó)發(fā)射的空間探測(cè)衛(wèi)星，形成新的國(guó)際日地物理（ISTP）全球聯(lián)測(cè)。在此基礎(chǔ)上，美國(guó)航空航天局（NASA）制定了“日地聯(lián)系”（SEC）計(jì)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(guó)家空間機(jī)構(gòu)協(xié)調(diào)組織又在美國(guó)提出的“與日共存”（LWS）計(jì)劃的基礎(chǔ)上，提出了“國(guó)際與日共存”（ILWS）計(jì)劃，集中國(guó)際上各種空間探測(cè)衛(wèi)星，重點(diǎn)監(jiān)測(cè)日地聯(lián)系，以確?？臻g環(huán)境安全。

將太陽-太陽系作為一個(gè)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(gè)有機(jī)整體來研究，并強(qiáng)調(diào)空間物理探測(cè)和研究為空間探索保障服務(wù)。2005年2月，美國(guó)航空航天局發(fā)布了《探索新紀(jì)元：美國(guó)航空航天局2005和未來的發(fā)展方向》的報(bào)告，確定了18個(gè)新的戰(zhàn)略目標(biāo)，其中有關(guān)空間物理探測(cè)的戰(zhàn)略目標(biāo)是：“探索日地系統(tǒng)以了解太陽及其對(duì)地球、太陽系和載人探險(xiǎn)之旅所必經(jīng)的空間環(huán)境條件的影響，試驗(yàn)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(guó)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(cè)的“日地聯(lián)系”計(jì)劃正式調(diào)整擴(kuò)大為“太陽-太陽系聯(lián)系”（SSSC）計(jì)劃，其目的就是要把太陽、地球及月球、火星和整個(gè)太陽系作為一個(gè)有機(jī)的、相互聯(lián)系的系統(tǒng)進(jìn)行探索研究，為實(shí)現(xiàn)美國(guó)的國(guó)家目標(biāo)和美國(guó)航空航天局新的空間探索計(jì)劃服務(wù)。

2012年8月，美國(guó)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(huì)的科學(xué)》。該報(bào)告提出了美國(guó)未來10年（2013-2022年）研究與應(yīng)用項(xiàng)目發(fā)展建議，其目標(biāo)是要提升對(duì)太陽活動(dòng)爆發(fā)機(jī)制和近地空間等離子體動(dòng)力學(xué)的基本物理過程的科學(xué)認(rèn)識(shí)，確定在日地耦合系統(tǒng)背景下的地球大氣各個(gè)圈層的相互作用，以及大幅提高開展符合實(shí)際和定制的地球空間環(huán)境預(yù)報(bào)的能力，更好地滿足社會(huì)的需求。

顯而易見，美國(guó)已經(jīng)踏上了空間探索的新征程，空間物理探測(cè)被賦予了新的歷史使命。歐洲、日本等主要航天國(guó)家和地區(qū)也紛紛制定了未來空間物理探測(cè)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(cè)臺(tái)”衛(wèi)星示意圖

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

2　國(guó)際空間物理探測(cè)的最新進(jìn)展

太陽-行星際探測(cè)

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(gè)冕洞，該圖像中一個(gè)冕洞位于太陽中心偏上位置，而另一個(gè)冕洞(極地冕洞)清晰地位于圖像底部。冕洞是太陽磁場(chǎng)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(gè)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(duì)較低。

美國(guó)研制的“日地關(guān)系觀測(cè)臺(tái)”（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。“日地關(guān)系觀測(cè)臺(tái)”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(duì)日觀測(cè)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(cè)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(cè)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(dòng)探測(cè)儀 (SWAVES)研究太陽爆發(fā)事件對(duì)地球的射電干擾；③原位粒子與磁場(chǎng)探測(cè)儀 (IMPACT)研究高能粒子和行星際磁場(chǎng)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(cè)臺(tái)”拍攝到完整的太陽背面的圖像，這也是第一次由太陽觀測(cè)衛(wèi)星在軌道上拍攝到太陽另一面的情景，這個(gè)角度在地球上是看不見的。同時(shí)，通過運(yùn)行在日心軌道上的日地關(guān)系觀測(cè)臺(tái)-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(dòng)力學(xué)觀測(cè)臺(tái)”（SDO）由美國(guó)于2010 年2月23日使用宇宙神-5運(yùn)載火箭發(fā)射，該項(xiàng)目是美國(guó)航空航天局的“與日共存”計(jì)劃的第一個(gè)步驟，旨在理解太陽及其對(duì)太陽系的生命有何影響?！疤杽?dòng)力學(xué)觀測(cè)臺(tái)”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(duì)太陽進(jìn)行觀測(cè)。其主要科學(xué)目標(biāo)：利用多個(gè)譜段同時(shí)觀測(cè)太陽大氣的小時(shí)空尺度，了解太陽對(duì)地球和近地空間的影響。與以往的觀測(cè)相比，“太陽動(dòng)力學(xué)觀測(cè)臺(tái)”將能更詳細(xì)地觀測(cè)太陽，打破長(zhǎng)期以來阻礙太陽物理學(xué)發(fā)展的時(shí)間、尺度和清晰度方面的障礙?！疤杽?dòng)力學(xué)觀測(cè)臺(tái)”的主要有效載荷包括：日震磁場(chǎng)成像儀、大氣成像包（包括4臺(tái)望遠(yuǎn)鏡和10臺(tái)濾光器）和極紫外變化實(shí)驗(yàn)儀。

“太陽軌道器”（SO）衛(wèi)星計(jì)劃于2017年由歐洲航天局（ESA）和美國(guó)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(gè)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(duì)太陽大氣進(jìn)行高空間分辨率的觀測(cè)；第一次在距太陽最近的區(qū)域進(jìn)行粒子和場(chǎng)的原位探測(cè)；了解太陽表面活動(dòng)與日冕演化及內(nèi)日球空間的聯(lián)系；從高緯探測(cè)太陽極區(qū)和赤道區(qū)日冕。

“太陽探測(cè)加強(qiáng)”(SP+）衛(wèi)星計(jì)劃于2018年由美國(guó)發(fā)射。其主要科學(xué)目標(biāo)是第一次飛往日冕，直接對(duì)太陽日冕進(jìn)行觀測(cè)，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(cè)量?jī)x(對(duì)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(chǎng)和電場(chǎng)進(jìn)行綜合測(cè)量)和側(cè)視成像儀(在2.2～20個(gè)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(chǎng)測(cè)量)。

2011年3月19日“太陽動(dòng)力學(xué)觀測(cè)臺(tái)”觀測(cè)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(cè)加強(qiáng)”衛(wèi)星示意圖

5顆“亞暴事件時(shí)序過程及相互作用”衛(wèi)星在地球磁場(chǎng)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(cè)

磁層空間探測(cè)發(fā)展的重要趨勢(shì)是空間的多點(diǎn)探測(cè)?！皝啽┦录r(shí)序過程及相互作用”（THEMIS）任務(wù)是由美國(guó)航空航天局、美國(guó)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(shí)空發(fā)展過程。其主要有效載荷包括電場(chǎng)探測(cè)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(gè)亞暴發(fā)生的時(shí)候，“亞暴事件時(shí)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(cè)到磁尾重聯(lián)，同時(shí)地基觀測(cè)臺(tái)站觀測(cè)到了北美上空的極光增亮和電流。這些觀測(cè)結(jié)果第一次證實(shí)了磁場(chǎng)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(guó)于2006、2008年發(fā)射，其主要科學(xué)目標(biāo)為利用兩個(gè)能量中性原子成像衛(wèi)星對(duì)地球磁層進(jìn)行立體成像觀測(cè)，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(shí)間分辨率1m）。

“中性成分與帶電粒子耦合探測(cè)”（CINDI）衛(wèi)星由美國(guó)于2008年4月16日發(fā)射。該計(jì)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(duì)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(cè)儀、離子速度探測(cè)儀。

“輻射帶風(fēng)暴探測(cè)”（RBSP）衛(wèi)星（或稱“范艾倫探針”）于2012年8月底由美國(guó)發(fā)射，屬于“與日共存”計(jì)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(duì)地球以及近地空間的影響。其科學(xué)目標(biāo)有：①研究?jī)?nèi)磁層輻射帶和環(huán)電流區(qū)域中相對(duì)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(duì)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(cè)儀、電磁場(chǎng)探測(cè)儀、電場(chǎng)和波動(dòng)探測(cè)儀、輻射帶探測(cè)器離子成分探測(cè)儀和相對(duì)論質(zhì)子能譜儀。

“磁層多尺度任務(wù)”（MMS）計(jì)劃由美國(guó)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(chǎng)作為實(shí)驗(yàn)室來了解微觀物理機(jī)制，如磁場(chǎng)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(chǎng)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(cè)儀、磁強(qiáng)計(jì)和電場(chǎng)儀。

“輻射帶風(fēng)暴探測(cè)”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(cè)發(fā)展趨勢(shì)

從分析國(guó)際空間物理探測(cè)的最新進(jìn)展中可以歸納出空間物理探測(cè)的主要發(fā)展趨勢(shì)，主要表現(xiàn)在以下幾個(gè)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(cè)體系將日趨完善。以衛(wèi)星、探測(cè)器、空間站等航天器為觀測(cè)平臺(tái)的天基探測(cè)是空間物理探測(cè)最主要的手段，它可直接探測(cè)空間環(huán)境的各種就地?cái)?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(cè)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(shí)太陽活動(dòng)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(cè)。

3）多顆衛(wèi)星的聯(lián)合探測(cè)成為主流。立體探測(cè)、時(shí)空區(qū)分、多空間尺度探測(cè)成為空間物理探測(cè)的前沿，只有實(shí)施聯(lián)合探測(cè)，才能了解關(guān)鍵區(qū)域、關(guān)鍵點(diǎn)處擾動(dòng)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)