日地空間探索之旅
—空間物理探測最新進展與展望（下）

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（下）

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，人類發射了數百顆航天器用于空間物理探測。

我國“雙星計劃”示意圖

4　我國空間物理探測最新進展

我國第一個空間科學探測計劃—“地球空間雙星探測計劃”（簡稱“雙星計劃”）的成功實施，開創了我國空間科學探測的先河。“東半球空間環境地基綜合監測子午鏈”（簡稱“子午工程”）2012 年10月完成建設投入運行，邁出了我國地基探測歷史性的一步。“夸父”（KUAFU）計劃、“磁層-電離層-熱層耦合”（MIT）小衛星星座探測計劃、“太陽極軌成像望遠鏡”（SPORT）計劃等列入了中國科學院空間科學先導專項、民用航天背景預研項目。空間物理探測開始步入正軌。

“雙星計劃”

“雙星計劃”是我國第一次以自主提出的空間探測計劃進行國際合作的重大科學探測項目，是國家民用航天“十五”計劃中設立的重點科學探測衛星計劃，是國家第一次以明確的空間科學問題列入的衛星型號。“雙星計劃”包括2顆衛星：近地赤道區衛星（TC－1）和極區衛星（TC－2），運行于目前國際上地球空間探測衛星尚未覆蓋的近地磁層活動區。這2顆衛星相互配合，形成了獨立的具有創新和特色的地球空間探測計劃。“雙星計劃”與歐洲航天局（ESA）的“星簇”（Cluster）計劃相配合，構成了人類歷史上第一次使用相同或相似的探測器對地球空間進行的“六點”探測，研究地球磁層整體變化規律和爆發事件的機理。“雙星計劃”的主要科學任務是通過對地球空間電磁場和帶電粒子的探測，獲取可靠的科學數據，在研究中取得新的發現和獲得突破性的理論研究成果。“雙星計劃”獲得2010年度國家科學技術進步一等獎。“雙星計劃”和“星簇”計劃的團隊獲得國際宇航科學院“2010年度杰出團隊成就獎”。

“夸父”計劃

繼“雙星計劃”取得成功之后，我國一個全面探測太陽風暴和極光的“夸父”計劃已經形成。“夸父”計劃是由3顆衛星組成的一個空間觀測系統：位于地球與太陽連線引力平衡處第一拉格朗日點（即L1點）上的夸父－A衛星和在地球極軌上共軛飛行的夸父－B1、B2衛星。3顆衛星的聯測將完成從太陽大氣到近地空間完整的擾動因果鏈探測，包括：太陽耀斑、日冕物質拋射（CME）、行星際磁云、行星際激波以及它們的地球效應，如磁層亞暴、磁暴以及極光活動。

“磁層-電離層-熱層耦合”計劃

“磁層-電離層-熱層耦合”計劃是國際上首個把磁層-電離層-熱層作為一個整體來研究的專項衛星探測計劃，具有開創性和挑戰性。該計劃由4顆衛星構成，2顆電離層/熱層衛星、2顆磁層衛星。磁層衛星軌道近地點高度為1Re（Re為地球平均赤道半徑），遠地點為6.7Re，軌道傾角為75°。電離層衛星的軌道近地點為500km，遠地點為1000km，軌道傾角為90°。

“磁層-電離層-熱層耦合”計劃的科學目標是利用小衛星星座系統的探測和研究，解決磁層-電離層-熱層耦合系統中能量耦合、電動力學和動力學耦合以及質量耦合等方面尚未解決的若干重大科學問題；重點是探測電離層上行粒子流發生和演化對太陽風直接驅動的響應過程；研究來自電離層和熱層近地尾向流在磁層空間暴觸發過程中的重要作用；了解磁層空間暴引起的電離層和熱層全球尺度擾動特征；揭示磁層-電離層-熱層系統相互作用的關鍵途徑和變化規律。

“磁層-電離層-熱層耦合”計劃現已獲得國防科技工業局民用航天預先研究及空間科學戰略性先導專項背景型號任務支持。

“太陽極軌成像望遠鏡”計劃

“太陽極軌成像望遠鏡”計劃將首次在太陽極軌上以遙感成像及就位探測相結合的方式，對太陽高緯地區的太陽活動及行星際空間的環境變化進行連續觀測，對太陽和空間物理研究及空間天氣預報具有重要意義。

“太陽極軌成像望遠鏡”計劃的主要科學目標：

1) 利用運行在太陽極軌軌道上的行星際日冕物質拋射事件的成像儀，居高臨下連續跟蹤監測日冕物質拋射事件從太陽表面到地球軌道處的傳播和演化；

2) 揭示太陽風暴在日地行星際空間的傳播規律，建立行星際空間天氣物理模型和預報模型，研究太陽風的加熱、加速和在高緯區的超徑向膨脹，確定太陽角動量的分布和總輸出。

“太陽極軌成像望遠鏡”計劃現已獲得國防科技工業局民用航天預先研究及空間科學戰略性先導專項背景型號任務支持。

地基探測—“子午工程”

我國一直十分重視日地空間環境的地基監測。從1957年參加國際地球物理年開始，我國逐步在120°（E）、子午線附近和30°（N）臺鏈上建設監測臺站，現已具備相當的監測基礎、設備條件和人才隊伍。地磁、中高層大氣、電離層、磁層、行星際等領域已建空間環境監測臺站達數十個，擁有中間層-平流層-對流層（MST）雷達、電離層測高儀、數字化地磁儀、激光雷達和非相干散射雷達等多種先進設備，并已建立海南探空火箭發射基地、世界數據中心中國空間環境數據中心、中國地球物理數據中心等。2008年1月，“子午工程”作為國家重大科技基礎設施項目已開始建設。“子午工程”沿120° （E）子午線附近，利用北起漠河，經北京、武漢，南至海南并延伸到南極中山站，以及東起上海，經武漢、成都，西至拉薩，沿30°（N）附近共建15個觀測臺站，建成一個以鏈為主、鏈網結合的，運用無線電、地磁、光學和探空火箭等多種探測手段，連續監測地球表面20～30km以上至幾百千米的中高層大氣、電離層和磁層，以及十幾個地球半徑以外的行星際空間環境中的地磁場、電場，中高層大氣的風場、密度、溫度和成分，電離層、磁層和行星際空間中的有關參數，聯合運作的大型空間環境地基監測系統。“子午工程”已作為“十一五”國家重大科技基礎設施（國家重大科學工程），總投資1.67億元，建設期3年，2008年1月開始建設，2010年部分設備開始投入使用。“邊建設，邊運行、邊產出”，2012 年10月全部完成建成，進入正式運行期。“子午工程”將為建立我國以自主觀測為基礎的近地空間環境模式實現“零”的突破，提供120°（E）子午線附近區域的觀測數據。

“太陽極軌成像望遠鏡”計劃軌道仿真圖

“子午工程”建成了目前世界上跨度最長（南北陸地跨度約4000km，東西跨度約3500km）、監測方法和手段最全[采用地磁（電）、無線電、光學、探空火箭等多種綜合監測手段]、綜合性最高（多學科交叉）的空間環境地基監測子午鏈，可以開展我國上空空間環境的區域性特征和空間環境全球變化規律的研究，為我國各類用戶提供較為完整、連續、可靠的多學科、多空間層次的空間環境地基綜合監測數據。

至2014年5月底，已獲取64種空間環境參數，超過661萬個數據文件，近2.35TB的監測數據。利用“子午工程”數據，已經在我國上空空間環境特征研究，以及地球空間各個圈層之間的耦合研究等方面取得了原創性的科研成果。據不完全統計，已發表包括在國際著名學術刊物，如《地球物理研究雜志》（JGR）、《地球物理快報》（GRL）等上的學術論文150余篇。與此同時，“子午工程”還為我國航天活動，如天宮－1、神舟－8和9的發射以及交會對接等任務，提供了大量的數據支撐服務。

“子午工程”大幅提升了我國在國際空間科學領域的地位與影響力，美國《空間天氣》學術刊物以封面文章形式發表了“子午工程”綜述論文，并稱“子午工程”為“雄心勃勃、影響深遠”的項目。2012年8月發布的《美國太陽與空間物理10年發展戰略規劃》中，將以“子午工程”為基礎的“國際空間天氣子午圈”計劃（簡稱“國際子午圈”計劃）列為重要的大型國際合作項目。

“子午工程”二期，三亞先進電離層非相干散射雷達、中高緯地球電離層國際超級雙子極光雷達觀測網（SuperDARN）雷達、中國氣象局空間天氣業務網絡系統、專業地基網絡系統等，目前都在積極推進和實施之中。

“國際子午圈”計劃

以“子午工程”為基礎，中國科學家率先提出了“國際子午圈”計劃，擬通過國際合作，將中國的子午鏈向北延伸到俄羅斯，向南經過澳大利亞，并和60°（W）附近的子午鏈構成第一個環繞地球1周的空間環境地基監測子午圈。地球每自轉1周，就可以對地球空間各個方向，包括向陽面和背陽面的空間環境完成一次比較全面的觀測。“國際子午圈”計劃建成后將實現：協調全球空間天氣聯測及共同研究；向全世界科學界提供可使用的觀測數據；支持基于空間天氣科學攻關和觀測所需的密切協作；推動空間科學和技術的公眾教育和科學普及。

“國際子午圈”計劃抓住了只有120°（E）＋60°（W）子午圈是全球陸基觀測臺站最多的地理特征，以及許多基本的近地空間天氣過程沿子午圈發生的物理本質，隨著地球的自轉，比對2個經度相距180°的子午鏈位置上的空間環境變化，再結合空間探測，第1次使得了解空間天氣全球結構的時空變化規律成為可能。

正是由于“國際子午圈”計劃是世界空間天氣地基綜合監測史上從未有過的創新，對引領空間天氣地基監測“多臺站、鏈網式、多學科協同綜合監測”的發展方向，增強全球監測空間天氣的能力具有深遠意義，一經提出就得到了相關國際科學組織、國家與地區的積極響應。中國和巴西成立的空間天氣聯合實驗室2014年8月正式啟動建設。

“國際子午圈”計劃示意圖

“國際子午圈”計劃實施的多邊行動包括：

1）拓展中國的“子午工程”使之實現國際化，以涵蓋現有位于120°（E）和60°（W）的全部子午鏈，使該子午線的空間環境觀測能取得事半功倍、最大的科學產出；

2）在中國、美國、加拿大、日本、俄羅斯及本地區其他國家或地區現有的地磁子午鏈之間建立最緊密的合作，通過科學論證和規劃，在西伯利亞、東南亞等區域新建若干臺站，以彌補全球子午鏈的部分缺口；

3）支持各國的電離層、磁層和行星際觀測臺站間實施密切的協作；

4）沿全球120°（E）和60°（W）子午圈，在歐洲非相干散射雷達網（EISCAT）的框架內建立非相干散射雷達鏈。

“國際子午圈”計劃還能與正在實施的“國際與日共存”計劃（ILWS）、“國際日地系統氣候與天氣”計劃（CAWSEC）、“國際日球物理年”計劃（IHY）等一系列國際計劃有機銜接，并使我國成為其中的核心貢獻國家，例如“子午工程”南極中山站的高頻雷達也將參加國際超級雙子極光雷達觀測網的組網。

“國際子午圈”計劃對于實現“子午工程”的科學、工程和應用目標具有倍增效應，也是我國為國際空間科學合作做出的重大貢獻。利用我國“子午工程”建立的基礎和優勢，通過“國際子午圈”計劃來推進國際合作，可以調動國際上的各種資源，發展和建立地域更為廣泛的數據獲取能力，使我國在空間天氣監測和研究領域具備話語權，并逐步掌握主導權，從而推動國際空間研究的發展，促進我國和平利用外層空間，實質提升我國科技創新能力和中國對人類科學發展的貢獻度。

未來我國空間物理探測發展路線圖

5　我國空間物理探測展望

2006年，國家頒布了《國家中長期科學與技術發展規劃綱要（2006－2020）》，將“太陽活動對地球環境和災害的影響及其預報”列為基礎研究的科學前沿問題之一，載人航天和探月工程被確定為國家重大專項，這賦予了空間物理學探測和研究新的責任。

未來幾年里，為了落實國家發展規劃，空間物理領域要重點關注日地空間環境，將日地空間天氣連鎖變化過程的探測和研究作為主攻方向；在太陽活動影響地球空間和人類社會的關鍵科學問題上，要取得突破性進展；著力提升空間天氣的業務服務水平，增強我國航天活動和空間應用的安全保障能力。

未來10年，將初步建立天地一體化的日地空間環境綜合監測系統。在天基監測方面，大力推進空間物理天基監測衛星系列。針對日地整體聯系中的關鍵耦合環境的“大型星座探測”計劃（簡稱“鏈鎖”計劃），繼“雙星計劃”之后，“十三五”期間爭取推動“夸父”計劃和“磁層-電離層-熱層耦合”計劃工程立項。針對太陽活動、太陽風、磁層、電離層、中高層大氣、空間環境效應等關鍵要素，著手發展空間天氣監測小（微、納）衛星（“微星”計劃），爭取2020年前完成1～2顆小衛星的工程立項和實施，并充分利用現有各種應用衛星搭載，實現對從太陽到近地空間主要區域的空間環境天基監測。2025年前，在我國自主火星探測任務中提出有鮮明創新特色的空間物理探測項目。在地基監測方面，針對我國上空空間環境精細結構、特征及其變化規律，部署“地基探測”計劃（簡稱“探天”計劃），以“子午工程”為骨干網向南北、東西擴展，建設“子午工程”二期和“國際子午圈”，以及三亞先進非相干散射雷達等，爭取2025年前完成我國境內空間環境地基網絡化監測系統的建設。

“雙星計劃”之后，我國的空間物理衛星探測進入了一個10年的沉寂期，新的探測計劃雖然已經提到了議事日程，部分項目開展了前期預研和關鍵技術攻關，但還沒有正式工程立項。“路漫漫其修遠兮，吾將上下而求索”，我國日地空間探索開始了新的征程，將為人類進入空間、利用空間開啟新的篇章。（全文完）

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