主题：【转帖】空间物理知识

空间天气学是空间天气（状态或事件）的监测、研究、建模、预报、效应、信息的传输与处理、对人类活动的影响以及空间天气的开发利用和服务等方面的集成，是多种学科（太阳物理、空间物理、地球物理、大气物理、宇宙线物理、空间等离子体物理、磁流体力学、数值计算、图像处理等）与多种技术（信息技术、计算机技术、各种探测技术和成像技术、空间和地面技术系统与环境相互作用等）的高度综合与交叉。 

　　空间天气学的基本科学目标，是把太阳大气、行星际和地球的磁层、电离层和中高层大气作为一个有机系统，按空间灾害性天气事件过程的时序因果链关系配置空间、地面的监测体系，了解空间灾害性天气过程的变化规律。当前开展的主要科学课题涉及：太阳活动过程和物质输出结构研究；太阳风暴的形成、演化以及和地球的相互作用；地球空间系统的空间灾害性天气过程的因果链模式等方面。这些都是空间科学中面临巨大挑战的难题。 

　　空间天气学的应用目标，就是减轻和避免空间灾害性天气对高科技技术系统所造成的昂贵损失，为航天、通信、导航、资源、电力、生态、医学、科研、宇航安全和国防等部门提供区域性和全球性的背景与时变的环境模式；为重要空间和地面活动提供空间天气预报、效应预测和决策依据；为效应分折和防护措施提供依据；为空间资源的开发、利用和人工控制空间天气探索可能途径，以及有关空间政策的制定，等等。

太阳风

　　什么叫太阳风？简单地说，就是太阳粒子辐射流，是太阳辐射的组成部分。在离地球大约64000 公里以外，也就是10倍于地球半径的地方，有一股超音速带电粒子流，又称" 等粒子" 流，它以每秒数百公里的速度飞向地球，不断冲击着地球外围环境，这就是太阳风。顾名思义，太阳风可以理解为太阳形成的" 风" ，只不过这个" 风" 不是" 吹" 的大气，而是带电粒子流，这个" 风速" 达到超音速。向着太阳一面的磁性层保护着地球，使其免受太阳风的正面袭击，同时还改变太阳风的方向，使之绕过地球。然而，在地球磁场的南极歧点上，太阳风可以侵入。当太阳风侵入南极歧点区时，它能使带电的太阳粒子辐射流近于垂直地向电离层以至中低层大气输送，使各层区产生能量、动量和质量耦合区域，形成许多重要物理现象。

磁层空间暴

　　包括磁层亚暴、磁暴和磁层粒子暴。 

　　――磁层亚暴是磁层中巨大能量存和突然释放的瞬变活动，大约每天发生3－4次，每次释放的能量大约相当于一次中等地震的能量，可引起极区地球空间环境的剧烈变化。连续发生的磁层亚暴与强磁暴有密切关系。 

　　――磁暴是全球地磁场的剧烈活动，可引起电磁层和高层大气的剧烈扰动，这对航天活动、通信、导航的定位精度有重要影响。 

　　――磁层粒子暴是近地磁层中各类粒子爆发性事件，对航天活动有重要影响。

极光

　　极光，是发生在极地上空奇特而美丽的自然现象。从科学意义上讲，极光是从太阳表面发射出来的带电粒子流，从外层空间疾驰而来，猛烈地冲击着地球南极地区高空稀薄的大气层，将大气分子激发到高能级，发出了耀眼的可见光。打个比方，如果把地球空间看做一个电视显象管，地球磁性层尾部的中央比作电子枪，南极地区高层大气视作荧光屏，那么，极光就是这个荧光屏上的图像。极光出现的强弱取决于太阳强度以及太阳风离开太阳所携带的磁场的强度和方向。极光具有巨大的能量，可达到几千电子伏特。一般说来，极光易在67度的地磁纬度和110 公里高度附近出现。研究极光活动的目的，主要在于通过它来研究等离子体层中某些物理现象及其对通讯和卫星轨道的影响。这是因为，当带电粒子落入极光区时，极光区的带电粒子可进一步产生出一个电子浓度大大增强的薄层，引起地面发射机发出的高频无线电波发生异常。此外，极光区的粒子还加热大气的最高层，引起那里的局地大风。极光还能使热层（110 公里～300 公里）大气明显变暖，电子浓度增大，影响飞行高度低的极轨卫星轨道。

Cluster卫星

　　20世纪80年代初，国际空间界开始酝酿空前规模的国际空间探测计划，结果提出由国际空间 局协调组(IACG，由美国宇航局，欧空局及原苏联和日本的空间局组成)组织和协调“国际日 地物理(ISTP)计划”。该计划是人造卫星发射以来的一个空间规模的国际日地空间探测计划 ，其主要科学目标是：将日地空间作为一个整体系统，在日地空间各层次发射多颗卫星，对日地系统联锁变化的物理过程进行协调地探测和研究。 　　

　　欧空局的Cluster计划(现称为Cluster Ⅰ计划)就是在这种背景下于1985年底提出来的，IST P计划是在1992年-1996年期间正式实施的。经过十年努力，Cluster Ⅰ的四颗卫星(每颗1.2 吨)由欧空局新研制的阿丽亚娜5型火箭于1996年6月4日在欧空局的法属圭亚那发射场发射。 这是阿丽亚娜5型火箭第一次发射，由于该火箭飞行程序软件的事故，致使发射失败，历经 十年研制的阿丽亚娜5型火箭和它携带的四颗Cluster卫星，顿地发生灾难性的爆炸，在高空 中化为一团烟云和碎片。这一事件引起了国际空间界的震憾，对国际日地空间物理的发展造 成了严重的损失。 　　

　　1996年6月4日Cluster Ⅰ发射失败，使欧空局的科学家和工程师们非常悲伤，但他们并未因此而消沉，反而激起了奋发图强的精神。在欧空局科学项目主任R.M.Bonnet教授的组织和领导下，开始酝酿新的Cluster计划。经过八个月的努力，终于在1997年4月4日正式通过了新 的Cluster计划，称为Cluster Ⅱ计划。 　　

　　Cluster Ⅱ和Cluster Ⅰ一样，包括四颗相同的卫星，构成地球空间星座探测计划。Cluste r Ⅱ的轨道是：近地点是4RE(这里RE为球半径，RE=6371.2公里)远地点是19.6RE， 倾角是90°。每颗卫星重1.2吨，各载有11项探测仪器。直至Cluster Ⅱ发射成功之前，在 空间的局部区域都是单颗卫星进行探测，只有计划是姊妹卫星的形式，进行两点探测，因而 不能探测地球空间环境的三维小尺度结构。Cluster Ⅱ的发展成功，开辟了地球空间探测的 新纪元。Cluster的四颗卫星，可在空间中形成四面体，而且四颗卫星之间的距离可根据科 学研究的要求进行调控。这四颗卫星的组合形式，好像四个秀丽的舞伴在太空中跳舞一样， 不断改变姿势。正因如此，欧空局将这四颗卫星分别用四种舞来命名，即将它们分别称为“ Salsa”、“Samba”、“Rumba”和“Tamgo”。 　　

　　欧空局Cluster Ⅱ计划的主要科学目标是探测和研究地球空间等离子体边界层结构和动力学 过程；主要创新是探测过去不能实现的地球空间环境三维小尺度结构及电磁场和粒子的时 空 变化，解决过去不能解决的关键科学问题。现23周太阳活动峰年已经开始，Cluster Ⅱ颗卫 星的发射成功，对揭示太阳爆发事件引起地球空间灾害环境的奥秘，将起十分重要的作用。

人造卫星

　　环绕地球在空间轨道上运行(至少一圈)的无人航天器，人造卫星是发射数量最多、用途最广、发展最快的航天器。人造卫星发射数量约占航天器发射总数的90%以上。完整的卫星工程系统通常由人造卫星、运载器、航天器发射场、航天控制和数据采集网以及用户台(站、网)组成。人造卫星和用户台(站、网)组成卫星应用系统，如卫星通信系统、卫星导航系统和卫星空间探测系统等。1957年10月4日苏联发射了世界上第一颗人造地球卫星。在50年代末到60年代初期，各国发射的人造卫星主要用于探测地球空间环境和进行各种卫星技术试验。60年代中期,人造卫星开始进入应用阶段,各种应用卫星先后投入使用。从70年代起，各种新型专用卫星相继出现，性能不断提高。 　　

　　人造卫星由包含各种仪器设备的若干系统组成，这些系统可分为专用系统和保障系统两类。专用系统是指与卫星所执行的任务直接有关的系统，大致可分为探测仪器、遥感仪器和转发器三类。科学卫星使用各种探测仪器(如红外天文望远镜、宇宙线探测器和磁强计等)探测空间环境和观测天体；通信卫星经过通信转发器和通信天线传递各种无线电信号；对地观测卫星使用各种遥感器(如可见光照相机、侧视雷达、多光谱相机等)获取地球的各种信息。保障系统主要有结构系统、热控制系统、电源系统、无线电测控系统、姿态控制系统和轨道控制系统。有些卫星还装有计算机系统，用以处理、协调和管理各分系统的工作。返回型卫星还有返回着陆系统，它由制动火箭、降落伞和信标机组成。

　　人造卫星观测天体不受大气层的阻挡，它可以接收来自天体的全部电磁波辐射，实现全波段天文观测。人造卫星的飞行速度高，一天绕地球飞行几圈到十几圈，能够迅速获取地球的大量信息，这是地面勘察和航空摄影无法比拟的。人造卫星在几百公里以上高度飞行，不受领土、领空、地理和气候条件限制，视野广阔。一张地球资源卫星照片拍摄的面积达几万平方公里，在静止轨道上卫星可以“看到”百分之四十的地球表面，这对通信非常有利，可实现全球范围的信息传递和交换。人造卫星能飞越地球任何地区，特别是人迹罕至的原始森林、沙漠、深山、海洋和南北两极，并对地下矿藏、海洋资源和地层断裂带等进行观测。因此人造卫星可用于天文观测、空间物理探测、全球通信、电视广播、军事侦察、气象观测、资源普查、环境监测、大地测量、搜索营救等方面。

极光很美

大自然还有很多秘密

双星计划

　　双星计划是我国第一次以自己提出的探测计划并开展国际合作的重大科学探测项目。双星计划与欧空局Cluster II的4颗卫星相配合，在人类历史上第一次进行地球空间“六点探测”，开始了地球空间天气多层次和多时空尺度研究新阶段。

　　双星计划包括两颗小卫星：近地赤道卫星，轨道高度577—78916公里和近地极区卫星，轨道高度558—38362公里。赤道卫星将探测近地磁尾区的磁层空间暴过程及向阳面磁层顶区太阳风能量向磁层中的传输过程；极区卫星将探测太阳风能量和近地磁尾区能量向极区电离层和高层大气的传输以及电离层粒子向磁层中的传输过程。

　　“地球空间双星探测计划”的轨道设计和科学目标，正是当前国际上日地空间物理发展所需求的，因而受到了国际空间物理界的重视，并主动表示积极与双星计划进行合作。欧空局科学代表团访华期间，欧空局科学部主任R.Bonnet和CLUSTER2项目科学家对双星计划进行了认真的评议，指出：“中科院空间中心提出的双星计划将会对正在实施的国际日地物理计划（ISTP）作出重要贡献，对于提高欧空局CLUSTER2项目的科学意义也是至关重要的。”

空间探测的现状

　　40年前绝大多数科学家都认为地球除了接受太阳光的辐射恩惠外，几乎是在一个空无一物的真空中估计的运行着。现在这种观念已经根本的改变了，于是便诞生和成长起日地空间物理。如果说地球是沉没和行驶在在一种电离气体－等离子体的海洋里，像潜艇在海洋中一样，在充满各种能量的等离子体洪流中行驶着，人们也会感到惊奇。确实地球就在这种“海洋里”，每时每刻都经受着平均风速高达400公里／秒太阳风等离子体的吹袭。即使你没有听到风吼，也感觉不到房屋和大地的摇动，这狂风确实强烈地影响了地球。在地球的两极区，会突然有极光从天空上垂挂下来；地磁场发生了强烈的扰动――磁暴；无线电通讯突然中断；卫星上的仪器莫名其妙地损坏了；地面上长程输电线路感应了新的电流……这些想象都与地球外空发生的某些物理过程有关。

日地系统和地球磁层结构图

20世纪前50年，人们对地球外层大气和电离层都知之甚少，更不用说广袤日地空间里的现象。受观测手段的局限主要是地面上对地磁变化的观察，分布全球的地磁台长期观测分析出地磁场的各种变化，并由此反演和推断引起这种变化的外空原因。地磁场每日规则变化反演地球高空电离层电流体系和由地磁暴推断围绕地球环电流的存在就是成功的例子。

极光形态图