日地空間探索之旅
—空間物理探測最新進展與展望（上）

王赤 任麗文（中國科學院空間科學與應用研究中心）

日地空間探索之旅
—空間物理探測最新進展與展望（上）

王赤 任麗文（中國科學院空間科學與應用研究中心）

空間物理研究開始于地基監測，人類很早從極光、氣暉、天電、潮汐等現象開始了地面的觀測研究，隨后利用氣球、火箭進行了臨近空間的探測。空間物理學的發展隨著航天技術和空間探測技術的發展而迅速發展起來了。自20世紀中期的半個世紀以來，人類發射了數百個航天器用于空間物理探測。

1　國際空間物理探測發展階段

1957年，世界第一顆人造地球衛星上天，標志著人類進入了空間時代。其后短短50多年，人類對自身的生存環境有了全新的認識，除了陸地、海洋和大氣之外，人類的生存和發展與空間環境息息

相關，即地球處在從太陽發出的超聲速等離子體流和磁場的包圍之中。地球的空間系統由大氣層、電離層和磁層構成，它和太陽大氣、行星際介質一起構成相互耦合的系統—日地系統。來自太陽的能量、動量和質量輸出的變化，制約著地球空間環境的形成、結構和變化。

空間物理學是伴隨人造地球衛星發射進入空間而迅速發展起來的一門新興的多學科交叉的前沿基礎學科，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系。人類特別關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境中的基本物理過程，這是當代自然科學領域最活躍的前沿學科之一。

20世紀90年代末是空間物理走向“硬”科學時代的一個新的發展階段，強調科學與應用的密切結合，并且由此產生了一門專門研究和預報空間環境，特別是空間環境中災害性過程的變化規律，旨在防止或者減輕空間災害，為人類活動服務的新興學科—空間天氣科學。由于日地空間是人類空間活動的主要區域，由太陽活動引起的空間天氣現象對航天活動、通信、導航和國家安全等構成嚴重威脅，因此，日地空間中的物理現象與規律，空間天氣及其對人類空間活動和生態環境的影響是空間物理探測和研究的中心任務。空間物理學天基探測的發展大致分為3個階段。

發現和專門探測階段

這個階段跨越20世紀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現：人類發現了輻射帶的存在，發現和證實了太陽風的存在，并相繼發現了太陽風中存在激波、高速流、阿爾芬波和各種磁流體間斷面的存在。通過一系列科學衛星，基本弄清了地球軌道附近的行星際空間環境，發現了地球弓形激波、粒子的激波加速和磁場重聯等基本物理現象的存在。在隨后的二三十年間，針對日地系統不同的空間層次，人們開始進行目的性很強的專門探測，發射了一系列專項研究衛星，使空間物理學向廣度和深度發展。在這些衛星中，既有監測和研究太陽活動的衛星，也有探測太陽風的衛星，還有研究地球空間的衛星；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70年代末發射的探測器正在向宇宙深空急駛，旅行者-2（Voyager-2）于2007年8月到達了日球層的邊緣(終極激波)，2012年8月，旅行者-1離開日球層進入星際空間。

將日地系統作為一個整體來研究的階段

20世紀90年代，由于人類社會發展的諸多領域，如航天活動、通信、導航等高科技領域和國家安全的強烈需求，空間物理和空間天氣正迅速發展成國際科技活動的熱點之一。人們逐漸認識到把日地系統整體作為一個有機因果鏈進行研究的重要性。90年代中期，美國開始制定國家空間天氣計劃，準備在10年內完成空間天氣監測體系，在物理和數值模擬方面建立從太陽到地面的空間天氣預報模式，實現常規及可靠的空間天氣預報，日本與歐洲也相繼制定了各自的空間天氣計劃。與此同時，國家空間機構協調組織(IACG)開始整合各國發射的空間探測衛星，形成新的國際日地物理（ISTP）全球聯測。在此基礎上，美國航空航天局（NASA）制定了“日地聯系”（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；而后國家空間機構協調組織又在美國提出的“與日共存”（LWS）計劃的基礎上，提出了“國際與日共存”（ILWS）計劃，集中國際上各種空間探測衛星，重點監測日地聯系，以確保空間環境安全。

將太陽-太陽系作為一個有機整體來研究的階段

從21世紀開始，科學家將太陽-太陽系作為一個有機整體來研究，并強調空間物理探測和研究為空間探索保障服務。2005年2月，美國航空航天局發布了《探索新紀元：美國航空航天局2005和未來的發展方向》的報告，確定了18個新的戰略目標，其中有關空間物理探測的戰略目標是：“探索日地系統以了解太陽及其對地球、太陽系和載人探險之旅所必經的空間環境條件的影響，試驗演示可以完善未來運行系統的技術。”為適應美國航空航天局整體空間探索戰略目標的轉移，其有關空間物理探測的“日地聯系”計劃正式調整擴大為“太陽-太陽系聯系”（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的、相互聯系的系統進行探索研究，為實現美國的國家目標和美國航空航天局新的空間探索計劃服務。

2012年8月，美國發布了最新的太陽和空間物理10年戰略規劃—《太陽與空間物理：服務于技術社會的科學》。該報告提出了美國未來10年（2013-2022年）研究與應用項目發展建議，其目標是要提升對太陽活動爆發機制和近地空間等離子體動力學的基本物理過程的科學認識，確定在日地耦合系統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境預報的能力，更好地滿足社會的需求。

顯而易見，美國已經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也紛紛制定了未來空間物理探測發展規劃。

2011年2月1日“日出”衛星拍攝到的冕洞圖像

“日地關系觀測臺”衛星示意圖

2011年6月1日“日地關系觀測臺”衛星拍攝的合成的太陽圖像

2　國際空間物理探測的最新進展

太陽-行星際探測

2011年2月1日，日本的“日出”（Hinode）衛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域色彩更暗，這是由于冕洞與鄰近活躍區域相比，其溫度相對較低。

美國研制的“日地關系觀測臺”（STEREO）衛星于2006年10月25日在佛羅里達州的卡納維拉爾角空軍基地發射。“日地關系觀測臺”由2顆衛星組成，分別位于地球繞太陽公轉的軌道前方和后方，形成對日觀測的立體視角，拍攝太陽的三維圖像。其主要科學目標：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域和物理機制，觀測太陽風的結構與性質等。其主要科學載荷包括：①日地聯系日冕與日球探測包研究日冕物質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件(PLASTIC)主要任務是研究質子、α粒子和重離子的特性。

2011年6月1日，“日地關系觀測臺”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，通過運行在日心軌道上的日地關系觀測臺-A、B的數據進行組合，獲得了首張完整的太陽全景照片。

“太陽動力學觀測臺”（SDO）由美國于2010 年2月23日使用宇宙神-5運載火箭發射，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。“太陽動力學觀測臺”運行在地球靜止軌道，運行壽命為5年，能夠不間斷地對太陽進行觀測。其主要科學目標：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，“太陽動力學觀測臺”將能更詳細地觀測太陽，打破長期以來阻礙太陽物理學發展的時間、尺度和清晰度方面的障礙。“太陽動力學觀測臺”的主要有效載荷包括：日震磁場成像儀、大氣成像包（包括4臺望遠鏡和10臺濾光器）和極紫外變化實驗儀。

“太陽軌道器”（SO）衛星計劃于2017年由歐洲航天局（ESA）和美國合作發射，其主要科學目標是飛到距離太陽達62個太陽半徑的地方，探索太陽表面、日冕與內日球層之間的關系。該衛星將近距離對太陽大氣進行高空間分辨率的觀測；第一次在距太陽最近的區域進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日球空間的聯系；從高緯探測太陽極區和赤道區日冕。

“太陽探測加強”(SP+）衛星計劃于2018年由美國發射。其主要科學目標是第一次飛往日冕，直接對太陽日冕進行觀測，科學目標為確定太陽日冕的加熱機制和太陽風的加速機制，以及理解包括太陽風在內的日球演化過程。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行綜合測量)和側視成像儀(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和準現場測量)。

2011年3月19日“太陽動力學觀測臺”觀測到的一次日珥噴發事件

“太陽軌道器”衛星示意圖

“太陽探測加強”衛星示意圖

5顆“亞暴事件時序過程及相互作用”衛星在地球磁場中運行的示意圖

“廣角中性原子成像雙星”衛星的軌道運行示意圖

地球空間探測

磁層空間探測發展的重要趨勢是空間的多點探測。“亞暴事件時序過程及相互作用”（THEMIS）任務是由美國航空航天局、美國加利福尼亞大學洛杉磯分校和加州伯克利大學聯合研制的5顆衛星組成，于2007年2月17日發射。其主要科學目標：利用分布在不同空間區域的5顆相同衛星確定磁層亞暴的起始和宏觀演化，解決亞暴的時空發展過程。其主要有效載荷包括電場探測儀、磁力儀、靜電分析儀和固態望遠鏡（25keV～6MeV） 。

2008年2月26日，當一個亞暴發生的時候，“亞暴事件時序過程及相互作用”衛星正好位于地球的背陽側，可以觀測到磁尾重聯，同時地基觀測臺站觀測到了北美上空的極光增亮和電流。這些觀測結果第一次證實了磁場重聯觸發亞暴發生，觸發極光。

“廣角中性原子成像雙星”（TWINS）分別由美國于2006、2008年發射，其主要科學目標為利用兩個能量中性原子成像衛星對地球磁層進行立體成像觀測，建立磁層不同區域的全球對流圖像及其相互關系。主要科學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）衛星由美國于2008年4月16日發射。該計劃主要科學目標：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。主要科學載荷包括中性風探測儀、離子速度探測儀。

“輻射帶風暴探測”（RBSP）衛星（或稱“范艾倫探針”）于2012年8月底由美國發射，屬于“與日共存”計劃。該衛星用于了解輻射帶粒子加速的物理機制，以便更好地理解太陽對地球以及近地空間的影響。其科學目標有：①研究內磁層輻射帶和環電流區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研究環電流的變化及其對高能粒子的影響；⑥輻射帶粒子的數據同化和模型研究。主要科學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子能譜儀。

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

“輻射帶風暴探測”衛星在軌示意圖

“磁層多尺度任務”衛星示意圖

3　空間物理探測發展趨勢

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

1）進一步開展日地系統整體聯系過程的研究，并延拓為太陽-太陽系整體聯系，天基與地基相結合的觀測體系將日趨完善。以衛星、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境的各種就地數據，利用有利位置獲得地面所不能獲得的空間環境遙感數據。

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

3）多顆衛星的聯合探測成為主流。立體探測、時空區分、多空間尺度探測成為空間物理探測的前沿，只有實施聯合探測，才能了解關鍵區域、關鍵點處擾動能量的形成、釋放、轉換和分配的基本物理過程，深入揭示其物理過程的本質。

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

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