日地空间探索之旅—空间物理探测最新进展与展望（上）

王赤 任丽文（中国科学院空间科学与应用研究中心）

日地空间探索之旅
—空间物理探测最新进展与展望（上）

王赤 任丽文（中国科学院空间科学与应用研究中心）

空间物理研究开始于地基监测，人类很早从极光、气晖、天电、潮汐等现象开始了地面的观测研究，随后利用气球、火箭进行了临近空间的探测。空间物理学的发展随着航天技术和空间探测技术的发展而迅速发展起来了。自20世纪中期的半个世纪以来，人类发射了数百个航天器用于空间物理探测。

1　国际空间物理探测发展阶段

1957年，世界第一颗人造地球卫星上天，标志着人类进入了空间时代。其后短短50多年，人类对自身的生存环境有了全新的认识，除了陆地、海洋和大气之外，人类的生存和发展与空间环境息息

相关，即地球处在从太阳发出的超声速等离子体流和磁场的包围之中。地球的空间系统由大气层、电离层和磁层构成，它和太阳大气、行星际介质一起构成相互耦合的系统—日地系统。来自太阳的能量、动量和质量输出的变化，制约着地球空间环境的形成、结构和变化。

空间物理学是伴随人造地球卫星发射进入空间而迅速发展起来的一门新兴的多学科交叉的前沿基础学科，主要研究地球空间、日地空间和行星际太阳系空间的物理现象，研究对象包括太阳、行星际空间、地球和行星的大气层、电离层、磁层，以及它们之间的相互作用和因果关系。人类特别关注的是地球表面二三十千米以上直到太阳大气这一广阔的日地空间环境中的基本物理过程，这是当代自然科学领域最活跃的前沿学科之一。

20世纪90年代末是空间物理走向“硬”科学时代的一个新的发展阶段，强调科学与应用的密切结合，并且由此产生了一门专门研究和预报空间环境，特别是空间环境中灾害性过程的变化规律，旨在防止或者减轻空间灾害，为人类活动服务的新兴学科—空间天气科学。由于日地空间是人类空间活动的主要区域，由太阳活动引起的空间天气现象对航天活动、通信、导航和国家安全等构成严重威胁，因此，日地空间中的物理现象与规律，空间天气及其对人类空间活动和生态环境的影响是空间物理探测和研究的中心任务。空间物理学天基探测的发展大致分为3个阶段。

发现和专门探测阶段

这个阶段跨越20世纪60年代初到80年代末。整个60年代充满了激动人心的空间新发现：人类发现了辐射带的存在，发现和证实了太阳风的存在，并相继发现了太阳风中存在激波、高速流、阿尔芬波和各种磁流体间断面的存在。通过一系列科学卫星，基本弄清了地球轨道附近的行星际空间环境，发现了地球弓形激波、粒子的激波加速和磁场重联等基本物理现象的存在。在随后的二三十年间，针对日地系统不同的空间层次，人们开始进行目的性很强的专门探测，发射了一系列专项研究卫星，使空间物理学向广度和深度发展。在这些卫星中，既有监测和研究太阳活动的卫星，也有探测太阳风的卫星，还有研究地球空间的卫星；与此同时，人类也有计划地探测了太阳系中的其他行星。目前，20世纪70年代末发射的探测器正在向宇宙深空急驶，旅行者-2（Voyager-2）于2007年8月到达了日球层的边缘(终极激波)，2012年8月，旅行者-1离开日球层进入星际空间。

将日地系统作为一个整体来研究的阶段

20世纪90年代，由于人类社会发展的诸多领域，如航天活动、通信、导航等高科技领域和国家安全的强烈需求，空间物理和空间天气正迅速发展成国际科技活动的热点之一。人们逐渐认识到把日地系统整体作为一个有机因果链进行研究的重要性。90年代中期，美国开始制定国家空间天气计划，准备在10年内完成空间天气监测体系，在物理和数值模拟方面建立从太阳到地面的空间天气预报模式，实现常规及可靠的空间天气预报，日本与欧洲也相继制定了各自的空间天气计划。与此同时，国家空间机构协调组织(IACG)开始整合各国发射的空间探测卫星，形成新的国际日地物理（ISTP）全球联测。在此基础上，美国航空航天局（NASA）制定了“日地联系”（SEC）计划，并将空间天气的连锁变化确定为2000-2020年空间物理的主攻方向；而后国家空间机构协调组织又在美国提出的“与日共存”（LWS）计划的基础上，提出了“国际与日共存”（ILWS）计划，集中国际上各种空间探测卫星，重点监测日地联系，以确保空间环境安全。

将太阳-太阳系作为一个有机整体来研究的阶段

从21世纪开始，科学家将太阳-太阳系作为一个有机整体来研究，并强调空间物理探测和研究为空间探索保障服务。2005年2月，美国航空航天局发布了《探索新纪元：美国航空航天局2005和未来的发展方向》的报告，确定了18个新的战略目标，其中有关空间物理探测的战略目标是：“探索日地系统以了解太阳及其对地球、太阳系和载人探险之旅所必经的空间环境条件的影响，试验演示可以完善未来运行系统的技术。”为适应美国航空航天局整体空间探索战略目标的转移，其有关空间物理探测的“日地联系”计划正式调整扩大为“太阳-太阳系联系”（SSSC）计划，其目的就是要把太阳、地球及月球、火星和整个太阳系作为一个有机的、相互联系的系统进行探索研究，为实现美国的国家目标和美国航空航天局新的空间探索计划服务。

2012年8月，美国发布了最新的太阳和空间物理10年战略规划—《太阳与空间物理：服务于技术社会的科学》。该报告提出了美国未来10年（2013-2022年）研究与应用项目发展建议，其目标是要提升对太阳活动爆发机制和近地空间等离子体动力学的基本物理过程的科学认识，确定在日地耦合系统背景下的地球大气各个圈层的相互作用，以及大幅提高开展符合实际和定制的地球空间环境预报的能力，更好地满足社会的需求。

显而易见，美国已经踏上了空间探索的新征程，空间物理探测被赋予了新的历史使命。欧洲、日本等主要航天国家和地区也纷纷制定了未来空间物理探测发展规划。

2011年2月1日“日出”卫星拍摄到的冕洞图像

“日地关系观测台”卫星示意图

2011年6月1日“日地关系观测台”卫星拍摄的合成的太阳图像

2　国际空间物理探测的最新进展

太阳-行星际探测

2011年2月1日，日本的“日出”（Hinode）卫星拍摄到了太阳表面存在两个冕洞，该图像中一个冕洞位于太阳中心偏上位置，而另一个冕洞(极地冕洞)清晰地位于图像底部。冕洞是太阳磁场间隙所形成的巨洞，穿过太阳超炽热外大气层(日冕)，气体能够通过冕洞向太空逃溢。这两个巨大的冕洞比太阳表面其他区域色彩更暗，这是由于冕洞与邻近活跃区域相比，其温度相对较低。

美国研制的“日地关系观测台”（STEREO）卫星于2006年10月25日在佛罗里达州的卡纳维拉尔角空军基地发射。“日地关系观测台”由2颗卫星组成，分别位于地球绕太阳公转的轨道前方和后方，形成对日观测的立体视角，拍摄太阳的三维图像。其主要科学目标：研究日冕抛射事件从太阳到地球的传播与演化，研究能量粒子的加速区域和物理机制，观测太阳风的结构与性质等。其主要科学载荷包括：①日地联系日冕与日球探测包研究日冕物质抛射从太阳表面穿过日冕，直到行星际空间的演化过程；②波动探测仪 (SWAVES)研究太阳爆发事件对地球的射电干扰；③原位粒子与磁场探测仪 (IMPACT)研究高能粒子和行星际磁场的空间分布；④等离子体和超热离子构件(PLASTIC)主要任务是研究质子、α粒子和重离子的特性。

2011年6月1日，“日地关系观测台”拍摄到完整的太阳背面的图像，这也是第一次由太阳观测卫星在轨道上拍摄到太阳另一面的情景，这个角度在地球上是看不见的。同时，通过运行在日心轨道上的日地关系观测台-A、B的数据进行组合，获得了首张完整的太阳全景照片。

“太阳动力学观测台”（SDO）由美国于2010 年2月23日使用宇宙神-5运载火箭发射，该项目是美国航空航天局的“与日共存”计划的第一个步骤，旨在理解太阳及其对太阳系的生命有何影响。“太阳动力学观测台”运行在地球静止轨道，运行寿命为5年，能够不间断地对太阳进行观测。其主要科学目标：利用多个谱段同时观测太阳大气的小时空尺度，了解太阳对地球和近地空间的影响。与以往的观测相比，“太阳动力学观测台”将能更详细地观测太阳，打破长期以来阻碍太阳物理学发展的时间、尺度和清晰度方面的障碍。“太阳动力学观测台”的主要有效载荷包括：日震磁场成像仪、大气成像包（包括4台望远镜和10台滤光器）和极紫外变化实验仪。

“太阳轨道器”（SO）卫星计划于2017年由欧洲航天局（ESA）和美国合作发射，其主要科学目标是飞到距离太阳达62个太阳半径的地方，探索太阳表面、日冕与内日球层之间的关系。该卫星将近距离对太阳大气进行高空间分辨率的观测；第一次在距太阳最近的区域进行粒子和场的原位探测；了解太阳表面活动与日冕演化及内日球空间的联系；从高纬探测太阳极区和赤道区日冕。

“太阳探测加强”(SP+）卫星计划于2018年由美国发射。其主要科学目标是第一次飞往日冕，直接对太阳日冕进行观测，科学目标为确定太阳日冕的加热机制和太阳风的加速机制，以及理解包括太阳风在内的日球演化过程。其主要有效载荷有：遥感仪、原位测量仪(对太阳风离子和电子热等离子体、超热和高能粒子，以及从直流到高频的磁场和电场进行综合测量)和侧视成像仪(在2.2～20个太阳半径处，提供了日冕中密度和尘埃的全球范围内和准现场测量)。

2011年3月19日“太阳动力学观测台”观测到的一次日珥喷发事件

“太阳轨道器”卫星示意图

“太阳探测加强”卫星示意图

5颗“亚暴事件时序过程及相互作用”卫星在地球磁场中运行的示意图

“广角中性原子成像双星”卫星的轨道运行示意图

地球空间探测

磁层空间探测发展的重要趋势是空间的多点探测。“亚暴事件时序过程及相互作用”（THEMIS）任务是由美国航空航天局、美国加利福尼亚大学洛杉矶分校和加州伯克利大学联合研制的5颗卫星组成，于2007年2月17日发射。其主要科学目标：利用分布在不同空间区域的5颗相同卫星确定磁层亚暴的起始和宏观演化，解决亚暴的时空发展过程。其主要有效载荷包括电场探测仪、磁力仪、静电分析仪和固态望远镜（25keV～6MeV） 。

2008年2月26日，当一个亚暴发生的时候，“亚暴事件时序过程及相互作用”卫星正好位于地球的背阳侧，可以观测到磁尾重联，同时地基观测台站观测到了北美上空的极光增亮和电流。这些观测结果第一次证实了磁场重联触发亚暴发生，触发极光。

“广角中性原子成像双星”（TWINS）分别由美国于2006、2008年发射，其主要科学目标为利用两个能量中性原子成像卫星对地球磁层进行立体成像观测，建立磁层不同区域的全球对流图像及其相互关系。主要科学载荷是中性原子成像仪（1～100keV、角分辨率4×4、时间分辨率1m）。

“中性成分与带电粒子耦合探测”（CINDI）卫星由美国于2008年4月16日发射。该计划主要科学目标：了解中性成分和带电粒子相互作用对电离层-热层行为的控制作用。主要科学载荷包括中性风探测仪、离子速度探测仪。

“辐射带风暴探测”（RBSP）卫星（或称“范艾伦探针”）于2012年8月底由美国发射，属于“与日共存”计划。该卫星用于了解辐射带粒子加速的物理机制，以便更好地理解太阳对地球以及近地空间的影响。其科学目标有：①研究内磁层辐射带和环电流区域中相对论粒子的加速、传输和损失过程；②研究和激波相关的辐射带的形成和耗散；③定量研究粒子的绝热和非绝热加速过程；④研究辐射带高能粒子的“种子”或粒子源的变化；⑤研究环电流的变化及其对高能粒子的影响；⑥辐射带粒子的数据同化和模型研究。主要科学载荷有粒子和热等离子体探测仪、电磁场探测仪、电场和波动探测仪、辐射带探测器离子成分探测仪和相对论质子能谱仪。

“磁层多尺度任务”（MMS）计划由美国于2015年3月发射。其科学目标是通过4颗相同的卫星，利用地球磁场作为实验室来了解微观物理机制，如磁场重联、粒子加速和湍流，并在前所未有的重联触发的小尺度上了解磁场重联的物理过程。主要科学载荷有等离子体分析仪、能量粒子探测仪、磁强计和电场仪。

“辐射带风暴探测”卫星在轨示意图

“磁层多尺度任务”卫星示意图

3　空间物理探测发展趋势

从分析国际空间物理探测的最新进展中可以归纳出空间物理探测的主要发展趋势，主要表现在以下几个方面。

1）进一步开展日地系统整体联系过程的研究，并延拓为太阳-太阳系整体联系，天基与地基相结合的观测体系将日趋完善。以卫星、探测器、空间站等航天器为观测平台的天基探测是空间物理探测最主要的手段，它可直接探测空间环境的各种就地数据，利用有利位置获得地面所不能获得的空间环境遥感数据。

2）探测区域向空间天气的源头—太阳不断逼近。这样有利于认识太阳活动物理过程和影响，进而形成从太阳源头、行星际传播到地球空间响应的整体观测。

3）多颗卫星的联合探测成为主流。立体探测、时空区分、多空间尺度探测成为空间物理探测的前沿，只有实施联合探测，才能了解关键区域、关键点处扰动能量的形成、释放、转换和分配的基本物理过程，深入揭示其物理过程的本质。

4）注重不同尺度的耦合研究，太阳风-磁层，地球空间内部的耦合机制和耦合关系研究越来越重要。（未完待续）

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