主题：【转帖】空间物理知识

早在1931年恰普曼就预见到地球磁场不会延伸到无穷远，他们将被太阳风限制住，他计算了太阳风等离子体和地磁场的相互作用。把高速向地球扫过来的太阳风等离子体看做是几乎没有电阻的导体平面，在导体一侧有地球偶极子磁场，另一侧是没有没有磁场的等离子体，这样太阳风等离子体前进到接近地球磁场时，导体品面就产生感应电流，这感应电流既把地磁场限制在一定范围内，同时也阻止太阳风等离子体穿入地磁场深处。这就是我们今天了解到的地球磁层形成的雏形。1958年美国天文学家帕克（Paker）预言了太阳风――太阳连续吹出的等离子体流，四年后被观测证实地磁场被太阳风包围，完全被限定在一个范围，地球和行星际空间接壤有了自己永久的边界，这就是磁层。

太阳高能粒子可直达电离层和地球大气。夜间围绕地磁尾是薄的等离子体片。在环绕地球的赤道区高能电子和离子形成几个分立的捕获区，叫做辐射带，它们被更广大的热等离子层包围着。所有这些结构都通过地磁力线与地球的电离层联系着。边界层附近是太阳风穿入磁层的冷等离子体和由磁层内部逃逸出来的等离子体混合着。

太阳表面发生的剧烈活动（耀斑、日冕物质抛射事件等等），会使通常比较稳定的行星际太阳风发生剧烈变化，并影响地球磁层，特别是将能量聚集到磁尾，然后通过磁暴和磁层亚暴将能量释放出来。磁暴和磁层亚暴主要通过粒子尘降、场向电流和对流电场，向地球两极地区输送能量产生极光，并引起电离层、热层扰动，形成电离层暴和热层暴，影响中性大气和电离层全球结构变化。在磁暴期间，赤道环电流增强，在地面形成强烈的地磁扰动。有时磁暴期间还会形成辐射带相对论性电子增强，它是和太阳活动密切相关的。

探测地球空间奥妙的双星

在空间时代来临之前，人类对外层空间的认识主要是根据地球表面观测到的现象去推测外层空间所发生的一些物理过程。1958年第一颗人造地球卫星的发射成功开辟了人类对地球外层空间和行星际直接探测的的新时代，随着航天技术飞速发展，人类探测、研究和利用日地空间的能力也有了极大的提高，发现了大量新的现象（地球辐射带、地球弓激波、磁层顶、磁尾和太阳风等）。目前空间探测的重点已由早期开拓疆土式的空间发现转入深入了解地球空间环境发生复杂物理过程方面。

空间探测的发展趋势

　　世界空间探测已进入全面发展的新时代，首先，空间探测已趋向多元化，而不再是美苏等一两个国家独霸空间探测领域。欧洲正迅速崛起，不仅连续发射成功火星探测器、月球探测器和彗星探测器，而且还将发射金星和水星探测器，并在2004年初宣布了其庞大的“曙光”空间探测计划，即向美国“叫板”，在2030年左右把人送上火星。中国和印度也将在空间探测方面占有一席之地。中国于2004年初正式开始实施“嫦蛾”探月工程，2006～2007年发射首颗探月卫星。印度则在2004年决定，把原计划于2008年发射“月球初航”探测器的时间提前到2007年或更早。探测技术水平大幅度提高是特点之二。例如，“勇气”号和“机遇”号的性能远高于1997年首次在火星上行驶的“旅居者”号火星车，实现了对火星较大范围的移动考察，代表了火星探测的重要阶段。经过13个月的飞行，欧洲“智慧”1号月球探测器于2004年11月15日进入绕月轨道，从而表明，这个世界第1个联合使用太阳能电推进系统和月球引力的空间探测器达到了预期的效果，此举对未来航天技术的发展产生重要作用。在经过长达约7年、航行35亿千米的星际历程之后，价值连城的世界首个土星专用探测器“卡西尼”，终于在2004年7月1日进入土星轨道，它已发回不少很宝贵的图像，并在12月25日向土卫六表面释放“惠更斯”着陆器。第三个特点是彗星探测成为“新宠”。2004年1月，飞行已久的美国“星尘”号彗星探测器与怀尔德2号彗星交会，并在离彗核很近的距离用密度极低的氧化硅气溶胶首次获取彗核物质，现正飞行在返回地球的途中。这将是人类首次把除地球的卫星——月球以外的样本送回地球，也是“阿波罗”计划后的首次样品回送任务。这些样品可为宇宙形成和地球生命起源的研究提供重要线索。欧洲空间局则2004年3月2日发射了其第1个彗星探测器“罗塞塔”。它将经过10年的长途跋涉进入“楚留莫夫-格拉西门克”彗星轨道，并向该彗星着陆器，这在人类航天史上也是前所未有。

　　总的来说，空间探测将为人类大规模开发空间资源奠定技术基础，解决地球上存在的能源问题、人口问题和环境问题等。地球能容纳的人口是有限的，大约80亿～110亿，因此有些人已经开始研究向外空移民的方案了；地球上的能源也日益紧张，开发太空矿藏也是空间探测的一大目标。

　　从目前人类的科学认识、技术水平和经济条件等方面综合考虑，在可以预测的将来，空间探测重点仍将是月球和火星。月球探测的战略目标是建设月球基地，开发和利用月球的资源和能源与特殊环境，为人类社会的可持续发展服务。欧洲的“智慧”1号计划、中国的“嫦蛾”1号计划和印度的月球探测计划等，均以月球资源探测为主要目标。本世纪前20年将掀起人类探测火星的新热潮。它是人类开展深空探测的关键性步骤。人类可望于2011年在地球上获得火星返回样品，最终实现载人登上火星。

大自然有很多的奥秘。

地球周围的空间是怎样构成的

　　我们先来看看地球周围的空间是怎样构成的：

　　紧靠着地球表面的是大气层。它保护了人类，使我们不受太阳和行星际有害辐射的影响。从地面向上，大气越来越稀薄，但仍保持着中性，它的成分和地面的大气没有本质差别。我们将离地面85公里以上的大气称为中高层大气。 

在五、六十公里以上，太阳的紫外辐射和X射线使空气电离，电离成分越来越大，形成了电离层。 

　　电离层可以使通过它的无线电波发生折射、反射、散射并且被吸收。它们是现代无线电通讯的基础。 

　　地球还是一个具有内在磁场的星球。这个磁场也是保护人类的一道屏障。它把太阳发出来的粒子流（即太阳风）挡在离地球6万公里以外的地方，使地球不会像月亮那样一片荒芜。太阳风是高导电的流体，到达地球附近受到地球磁场的排斥，形成包围地球的空腔，即“地球磁层”。地球磁层是大多数应用卫星运行的区域。磁层里并不是空的，里面充满了各种温度的等离子体和各种能量的带电粒子。 

　　太阳表面发生的剧烈活动（耀斑、日冕物质抛射事件等等），会使通常比较稳定的行星际太阳风发生剧烈变化，并影响地球磁层，特别是将能量聚集到磁尾，然后通过磁暴和磁层亚暴将能量释放出来。磁暴和磁层亚暴主要通过粒子沉降、场向电流和对流电场，向地球两极地区输送能量产生极光，并引起电离层、热层扰动，形成电离层暴和热层暴，影响中性大气和电离层全球结构变化。在磁暴期间，赤道环电流增强，在地面形成强烈的地磁扰动。有时磁暴期间还会形成辐射带相对论性电子增强，它是和太阳活动密切相关的。

日地空间物理未解决的前沿问题

　　人类经过了数千年的努力，从陆地走向海洋，飞上蓝天。以1957年成功地发射第一颗人造地球卫星为标志，人类进入了太空，开始了太空时代。近50年来人类发射了几千颗卫星，为人类提供了通讯、导航、气象、资源勘探等方面的服务，已经成为人类生活不可缺少的部分。 

　　然而，肩负重任的各类卫星在太空却面临及其严酷的环境，卫星不断被破坏。就像地面上有电闪雷鸣，刮风下雨一样，地球空间中也有类似的现象。例如地球磁层亚暴过程中，大量的带电粒子象疾风骤雨一样从地球磁尾（即背离太阳一侧）向地球冲过来。这些电子能够导致卫星充电，严重时可以将卫星充电到几万伏高压，最后导致卫星放电被烧毁。地球磁暴过程中，围绕地球形成了一个巨大的电流环，其强度可以达到几百万安培。这个巨大的电流通过地磁场的剧烈变化可以在地面上感应出巨大电流，将地面上输油管道，供电线路烧毁。伴随着磁暴产生的高能粒子，可以象子弹一样击毁卫星上部件。例如： 

　　1991年7月7日，欧洲遥感卫星上的CMOS器件被烧毁，精确测速测距装置破坏，卫星停止了工作。

　　1997年1月11日，美国AT&T公司的Telstar401卫星被太阳活动引起的空间环境扰动损坏，导致北美的寻呼机和长途电话大范围中断，通讯中断的影响甚至波及到了金融、股票正常的运行。 

　　1998年5月的一次太阳耀斑爆发后，当日冕物资抛射/磁云扫过地球时，在地球磁层(L=2-7)引起了持续几周的新的相对论性电子辐射带，德国科学卫星EQUATOR－S和美国商业卫星GALAXY－4遭受高能电子的轰击而深层充电，于5月1日和19日先后报废。为了避免和减少人类航天活动的损失和危险，就需要对空间环境发生的各种物理过程有一个深入的了解，进而就像预报地面上刮风下雨一样，实现对空间环境中各种重要灾害性事件进行监测和预报。 

　　所以地球空间并不是静止的，它是太阳活动的影响下经常处于剧烈的扰动状态中，称为地球空间暴。其中磁层空间暴(包括磁层亚暴，磁暴和磁层粒子暴等)是地球空间暴的最重要部分，也是一些其它地球空间暴的产生源头。在地球两极地区发生的极光就是磁层亚暴的一种表现形式。这些与人类活动密切相关的磁层空间暴的产生机制和发展规律目前还不为人类所了解。以刘振兴院士为首的中国科学家提出的地球空间双星探测计划的科学目标就瞄准了这一最有挑战性的重大科学问题。

日地空间物理未解决的前沿问题

　　人类经过了数千年的努力，从陆地走向海洋，飞上蓝天。以1957年成功地发射第一颗人造地球卫星为标志，人类进入了太空，开始了太空时代。近50年来人类发射了几千颗卫星，为人类提供了通讯、导航、气象、资源勘探等方面的服务，已经成为人类生活不可缺少的部分。 

　　然而，肩负重任的各类卫星在太空却面临及其严酷的环境，卫星不断被破坏。就像地面上有电闪雷鸣，刮风下雨一样，地球空间中也有类似的现象。例如地球磁层亚暴过程中，大量的带电粒子象疾风骤雨一样从地球磁尾（即背离太阳一侧）向地球冲过来。这些电子能够导致卫星充电，严重时可以将卫星充电到几万伏高压，最后导致卫星放电被烧毁。地球磁暴过程中，围绕地球形成了一个巨大的电流环，其强度可以达到几百万安培。这个巨大的电流通过地磁场的剧烈变化可以在地面上感应出巨大电流，将地面上输油管道，供电线路烧毁。伴随着磁暴产生的高能粒子，可以象子弹一样击毁卫星上部件。例如： 

　　1991年7月7日，欧洲遥感卫星上的CMOS器件被烧毁，精确测速测距装置破坏，卫星停止了工作。

　　1997年1月11日，美国AT&T公司的Telstar401卫星被太阳活动引起的空间环境扰动损坏，导致北美的寻呼机和长途电话大范围中断，通讯中断的影响甚至波及到了金融、股票正常的运行。 

　　1998年5月的一次太阳耀斑爆发后，当日冕物资抛射/磁云扫过地球时，在地球磁层(L=2-7)引起了持续几周的新的相对论性电子辐射带，德国科学卫星EQUATOR－S和美国商业卫星GALAXY－4遭受高能电子的轰击而深层充电，于5月1日和19日先后报废。为了避免和减少人类航天活动的损失和危险，就需要对空间环境发生的各种物理过程有一个深入的了解，进而就像预报地面上刮风下雨一样，实现对空间环境中各种重要灾害性事件进行监测和预报。 

　　所以地球空间并不是静止的，它是太阳活动的影响下经常处于剧烈的扰动状态中，称为地球空间暴。其中磁层空间暴(包括磁层亚暴，磁暴和磁层粒子暴等)是地球空间暴的最重要部分，也是一些其它地球空间暴的产生源头。在地球两极地区发生的极光就是磁层亚暴的一种表现形式。这些与人类活动密切相关的磁层空间暴的产生机制和发展规律目前还不为人类所了解。以刘振兴院士为首的中国科学家提出的地球空间双星探测计划的科学目标就瞄准了这一最有挑战性的重大科学问题。

一、重要科学意义 

　　双星和Cluster四点星座计划结合，是空间物理学发展史上第一个以磁场－等离子体系统多尺度相互作用和地球空间三维时－空变化为目标的探测和研究计划。它为进行重大原创性研究提供了广宽的研究空间，可将我国日－地物理学研究推向国际前沿，对推进我国空间探测技术跨越式发展、提高我国空间物理研究和空间天气预报的创新能力具有重要意义。

　　（1） 全面了解地球空间环境联锁变化的物理过程。

　　（2） 通过双星计划的实施，除获得双星的大量科学数据外，还可获得Cluster II四颗卫星（44台仪器）的探测数据和与Cluster II相配合的30个地面站的观测数据，以及国际其他卫星的探测数据，揭示地球空间等离子体与磁场的三维小尺度结构及多尺度相互作用的物理图象。

　　（3） 提供空间物理和等离子体物理研究的“空间实验室”，推动太阳物理、磁流体力学、特别是等离子体物理学和天体物理学等相关科学研究以及行星空间环境比较研究的发展。

　　（4） 人才培养。 

　　通过本项目研究，可培养一支熟习空间探测技术、数据处理与分析和理论研究的、水平高、人数多的年轻科技队伍，并锻炼和涌现出一批具有国际影响和知名度的、为我国空间科学技术和等离子体物理学的发展做出杰出贡献的优秀人才。

　　（5） 建立我国的星—地联合观测系统。 

　　双星计划与“亚太合作小卫星计划”和地面“子午链工程”相配合，形成我国的星—地联合观测系统。这对我国的空间物理和空间环境研究和发展将起重要作用。

二、应用价值 

　　本项目的实施可为保障我国航天活动的安全提供科学数据、科学依据和对策。 　　

　　地球空间是各种应用卫星（气象卫星、通信卫星、资源卫星、导航定位卫星等）、航天飞机与空间站的飞行区域，是目前人类开发和利用太空资源、进行太空军事进攻与防御的主要活动领域，同时也是主要的灾害空间天气的直接发生地。地球空间暴是空间天气研究的核心内容。本项目可为空间天气预报建立理论基础，提供预报方法和模型，为我国今后空间天气地基和空间观测网重大工程的建设进行概念准备。

　　三、重要战略意义 

　　通过双星计划，提高我国与欧空局空间合作层次和开拓合作范围，显示我国的实力和水平，提高我国在国际空间物理界的地位和作用，这对打破国际上单极垄断的局面，具有重要战略性意义

双星计划的科学目标

　　双星计划的两颗小卫星，运行于目前国际上一些地球空间探测卫星尚未覆盖的两个重要活动区（近地赤道区和近地极区），用高分辨率的仪器探测这两个活动区场和粒子的时空变化规律，系统研究地球空间环境全球变化对太阳活动、行星际扰动及磁层亚暴和磁暴的响应过程。建立地球空间环境的动态模式和物理预报方法，为空间活动的安全、空间军事防御及人类生存环境的维护提供科学依据和对策。