日地空間探索之旅
—空間物理探測最新進(jìn)展與展望（下）

王赤　任麗文（中國科學(xué)院空間科學(xué)與應(yīng)用研究中心）

日地空間探索之旅
—空間物理探測最新進(jìn)展與展望（下）

王赤任麗文（中國科學(xué)院空間科學(xué)與應(yīng)用研究中心）

空間物理研究開始于地基監(jiān)測，人類很早從極光、氣暉、天電、潮汐等現(xiàn)象開始了地面的觀測研究，隨后利用氣球、火箭進(jìn)行了臨近空間的探測，空間物理學(xué)的發(fā)展隨著航天技術(shù)和空間探測技術(shù)的發(fā)展而迅速發(fā)展起來了。自20世紀(jì)中期的半個(gè)世紀(jì)以來，人類發(fā)射了數(shù)百顆航天器用于空間物理探測。

我國“雙星計(jì)劃”示意圖

4　我國空間物理探測最新進(jìn)展

我國第一個(gè)空間科學(xué)探測計(jì)劃—“地球空間雙星探測計(jì)劃”（簡稱“雙星計(jì)劃”）的成功實(shí)施，開創(chuàng)了我國空間科學(xué)探測的先河。“東半球空間環(huán)境地基綜合監(jiān)測子午鏈”（簡稱“子午工程”）2012 年10月完成建設(shè)投入運(yùn)行，邁出了我國地基探測歷史性的一步。“夸父”（KUAFU）計(jì)劃、“磁層-電離層-熱層耦合”（MIT）小衛(wèi)星星座探測計(jì)劃、“太陽極軌成像望遠(yuǎn)鏡”（SPORT）計(jì)劃等列入了中國科學(xué)院空間科學(xué)先導(dǎo)專項(xiàng)、民用航天背景預(yù)研項(xiàng)目。空間物理探測開始步入正軌。

“雙星計(jì)劃”

“雙星計(jì)劃”是我國第一次以自主提出的空間探測計(jì)劃進(jìn)行國際合作的重大科學(xué)探測項(xiàng)目，是國家民用航天“十五”計(jì)劃中設(shè)立的重點(diǎn)科學(xué)探測衛(wèi)星計(jì)劃，是國家第一次以明確的空間科學(xué)問題列入的衛(wèi)星型號(hào)。“雙星計(jì)劃”包括2顆衛(wèi)星：近地赤道區(qū)衛(wèi)星（TC－1）和極區(qū)衛(wèi)星（TC－2），運(yùn)行于目前國際上地球空間探測衛(wèi)星尚未覆蓋的近地磁層活動(dòng)區(qū)。這2顆衛(wèi)星相互配合，形成了獨(dú)立的具有創(chuàng)新和特色的地球空間探測計(jì)劃。“雙星計(jì)劃”與歐洲航天局（ESA）的“星簇”（Cluster）計(jì)劃相配合，構(gòu)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(jìn)行的“六點(diǎn)”探測，研究地球磁層整體變化規(guī)律和爆發(fā)事件的機(jī)理。“雙星計(jì)劃”的主要科學(xué)任務(wù)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(xué)數(shù)據(jù)，在研究中取得新的發(fā)現(xiàn)和獲得突破性的理論研究成果。“雙星計(jì)劃”獲得2010年度國家科學(xué)技術(shù)進(jìn)步一等獎(jiǎng)。“雙星計(jì)劃”和“星簇”計(jì)劃的團(tuán)隊(duì)獲得國際宇航科學(xué)院“2010年度杰出團(tuán)隊(duì)成就獎(jiǎng)”。

“夸父”計(jì)劃

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

“磁層-電離層-熱層耦合”計(jì)劃

“磁層-電離層-熱層耦合”計(jì)劃是國際上首個(gè)把磁層-電離層-熱層作為一個(gè)整體來研究的專項(xiàng)衛(wèi)星探測計(jì)劃，具有開創(chuàng)性和挑戰(zhàn)性。該計(jì)劃由4顆衛(wèi)星構(gòu)成，2顆電離層/熱層衛(wèi)星、2顆磁層衛(wèi)星。磁層衛(wèi)星軌道近地點(diǎn)高度為1Re（Re為地球平均赤道半徑），遠(yuǎn)地點(diǎn)為6.7Re，軌道傾角為75°。電離層衛(wèi)星的軌道近地點(diǎn)為500km，遠(yuǎn)地點(diǎn)為1000km，軌道傾角為90°。

“磁層-電離層-熱層耦合”計(jì)劃的科學(xué)目標(biāo)是利用小衛(wèi)星星座系統(tǒng)的探測和研究，解決磁層-電離層-熱層耦合系統(tǒng)中能量耦合、電動(dòng)力學(xué)和動(dòng)力學(xué)耦合以及質(zhì)量耦合等方面尚未解決的若干重大科學(xué)問題；重點(diǎn)是探測電離層上行粒子流發(fā)生和演化對太陽風(fēng)直接驅(qū)動(dòng)的響應(yīng)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(fā)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(dòng)特征；揭示磁層-電離層-熱層系統(tǒng)相互作用的關(guān)鍵途徑和變化規(guī)律。

“磁層-電離層-熱層耦合”計(jì)劃現(xiàn)已獲得國防科技工業(yè)局民用航天預(yù)先研究及空間科學(xué)戰(zhàn)略性先導(dǎo)專項(xiàng)背景型號(hào)任務(wù)支持。

“太陽極軌成像望遠(yuǎn)鏡”計(jì)劃

“太陽極軌成像望遠(yuǎn)鏡”計(jì)劃將首次在太陽極軌上以遙感成像及就位探測相結(jié)合的方式，對太陽高緯地區(qū)的太陽活動(dòng)及行星際空間的環(huán)境變化進(jìn)行連續(xù)觀測，對太陽和空間物理研究及空間天氣預(yù)報(bào)具有重要意義。

“太陽極軌成像望遠(yuǎn)鏡”計(jì)劃的主要科學(xué)目標(biāo)：

1) 利用運(yùn)行在太陽極軌軌道上的行星際日冕物質(zhì)拋射事件的成像儀，居高臨下連續(xù)跟蹤監(jiān)測日冕物質(zhì)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(fēng)暴在日地行星際空間的傳播規(guī)律，建立行星際空間天氣物理模型和預(yù)報(bào)模型，研究太陽風(fēng)的加熱、加速和在高緯區(qū)的超徑向膨脹，確定太陽角動(dòng)量的分布和總輸出。

“太陽極軌成像望遠(yuǎn)鏡”計(jì)劃現(xiàn)已獲得國防科技工業(yè)局民用航天預(yù)先研究及空間科學(xué)戰(zhàn)略性先導(dǎo)專項(xiàng)背景型號(hào)任務(wù)支持。

地基探測—“子午工程”

我國一直十分重視日地空間環(huán)境的地基監(jiān)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(tái)鏈上建設(shè)監(jiān)測臺(tái)站，現(xiàn)已具備相當(dāng)?shù)谋O(jiān)測基礎(chǔ)、設(shè)備條件和人才隊(duì)伍。地磁、中高層大氣、電離層、磁層、行星際等領(lǐng)域已建空間環(huán)境監(jiān)測臺(tái)站達(dá)數(shù)十個(gè)，擁有中間層-平流層-對流層（MST）雷達(dá)、電離層測高儀、數(shù)字化地磁儀、激光雷達(dá)和非相干散射雷達(dá)等多種先進(jìn)設(shè)備，并已建立海南探空火箭發(fā)射基地、世界數(shù)據(jù)中心中國空間環(huán)境數(shù)據(jù)中心、中國地球物理數(shù)據(jù)中心等。2008年1月，“子午工程”作為國家重大科技基礎(chǔ)設(shè)施項(xiàng)目已開始建設(shè)。“子午工程”沿120° （E）子午線附近，利用北起漠河，經(jīng)北京、武漢，南至海南并延伸到南極中山站，以及東起上海，經(jīng)武漢、成都，西至拉薩，沿30°（N）附近共建15個(gè)觀測臺(tái)站，建成一個(gè)以鏈為主、鏈網(wǎng)結(jié)合的，運(yùn)用無線電、地磁、光學(xué)和探空火箭等多種探測手段，連續(xù)監(jiān)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(gè)地球半徑以外的行星際空間環(huán)境中的地磁場、電場，中高層大氣的風(fēng)場、密度、溫度和成分，電離層、磁層和行星際空間中的有關(guān)參數(shù)，聯(lián)合運(yùn)作的大型空間環(huán)境地基監(jiān)測系統(tǒng)。“子午工程”已作為“十一五”國家重大科技基礎(chǔ)設(shè)施（國家重大科學(xué)工程），總投資1.67億元，建設(shè)期3年，2008年1月開始建設(shè)，2010年部分設(shè)備開始投入使用。“邊建設(shè)，邊運(yùn)行、邊產(chǎn)出”，2012 年10月全部完成建成，進(jìn)入正式運(yùn)行期。“子午工程”將為建立我國以自主觀測為基礎(chǔ)的近地空間環(huán)境模式實(shí)現(xiàn)“零”的突破，提供120°（E）子午線附近區(qū)域的觀測數(shù)據(jù)。

“太陽極軌成像望遠(yuǎn)鏡”計(jì)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(jiān)測方法和手段最全[采用地磁（電）、無線電、光學(xué)、探空火箭等多種綜合監(jiān)測手段]、綜合性最高（多學(xué)科交叉）的空間環(huán)境地基監(jiān)測子午鏈，可以開展我國上空空間環(huán)境的區(qū)域性特征和空間環(huán)境全球變化規(guī)律的研究，為我國各類用戶提供較為完整、連續(xù)、可靠的多學(xué)科、多空間層次的空間環(huán)境地基綜合監(jiān)測數(shù)據(jù)。

至2014年5月底，已獲取64種空間環(huán)境參數(shù)，超過661萬個(gè)數(shù)據(jù)文件，近2.35TB的監(jiān)測數(shù)據(jù)。利用“子午工程”數(shù)據(jù)，已經(jīng)在我國上空空間環(huán)境特征研究，以及地球空間各個(gè)圈層之間的耦合研究等方面取得了原創(chuàng)性的科研成果。據(jù)不完全統(tǒng)計(jì)，已發(fā)表包括在國際著名學(xué)術(shù)刊物，如《地球物理研究雜志》（JGR）、《地球物理快報(bào)》（GRL）等上的學(xué)術(shù)論文150余篇。與此同時(shí)，“子午工程”還為我國航天活動(dòng)，如天宮－1、神舟－8和9的發(fā)射以及交會(huì)對接等任務(wù)，提供了大量的數(shù)據(jù)支撐服務(wù)。

“子午工程”大幅提升了我國在國際空間科學(xué)領(lǐng)域的地位與影響力，美國《空間天氣》學(xué)術(shù)刊物以封面文章形式發(fā)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(yuǎn)”的項(xiàng)目。2012年8月發(fā)布的《美國太陽與空間物理10年發(fā)展戰(zhàn)略規(guī)劃》中，將以“子午工程”為基礎(chǔ)的“國際空間天氣子午圈”計(jì)劃（簡稱“國際子午圈”計(jì)劃）列為重要的大型國際合作項(xiàng)目。

“子午工程”二期，三亞先進(jìn)電離層非相干散射雷達(dá)、中高緯地球電離層國際超級(jí)雙子極光雷達(dá)觀測網(wǎng)（SuperDARN）雷達(dá)、中國氣象局空間天氣業(yè)務(wù)網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)、專業(yè)地基網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)等，目前都在積極推進(jìn)和實(shí)施之中。

“國際子午圈”計(jì)劃

以“子午工程”為基礎(chǔ)，中國科學(xué)家率先提出了“國際子午圈”計(jì)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(jīng)過澳大利亞，并和60°（W）附近的子午鏈構(gòu)成第一個(gè)環(huán)繞地球1周的空間環(huán)境地基監(jiān)測子午圈。地球每自轉(zhuǎn)1周，就可以對地球空間各個(gè)方向，包括向陽面和背陽面的空間環(huán)境完成一次比較全面的觀測。“國際子午圈”計(jì)劃建成后將實(shí)現(xiàn)：協(xié)調(diào)全球空間天氣聯(lián)測及共同研究；向全世界科學(xué)界提供可使用的觀測數(shù)據(jù)；支持基于空間天氣科學(xué)攻關(guān)和觀測所需的密切協(xié)作；推動(dòng)空間科學(xué)和技術(shù)的公眾教育和科學(xué)普及。

“國際子午圈”計(jì)劃抓住了只有120°（E）＋60°（W）子午圈是全球陸基觀測臺(tái)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(fā)生的物理本質(zhì)，隨著地球的自轉(zhuǎn)，比對2個(gè)經(jīng)度相距180°的子午鏈位置上的空間環(huán)境變化，再結(jié)合空間探測，第1次使得了解空間天氣全球結(jié)構(gòu)的時(shí)空變化規(guī)律成為可能。

正是由于“國際子午圈”計(jì)劃是世界空間天氣地基綜合監(jiān)測史上從未有過的創(chuàng)新，對引領(lǐng)空間天氣地基監(jiān)測“多臺(tái)站、鏈網(wǎng)式、多學(xué)科協(xié)同綜合監(jiān)測”的發(fā)展方向，增強(qiáng)全球監(jiān)測空間天氣的能力具有深遠(yuǎn)意義，一經(jīng)提出就得到了相關(guān)國際科學(xué)組織、國家與地區(qū)的積極響應(yīng)。中國和巴西成立的空間天氣聯(lián)合實(shí)驗(yàn)室2014年8月正式啟動(dòng)建設(shè)。

“國際子午圈”計(jì)劃示意圖

“國際子午圈”計(jì)劃實(shí)施的多邊行動(dòng)包括：

1）拓展中國的“子午工程”使之實(shí)現(xiàn)國際化，以涵蓋現(xiàn)有位于120°（E）和60°（W）的全部子午鏈，使該子午線的空間環(huán)境觀測能取得事半功倍、最大的科學(xué)產(chǎn)出；

2）在中國、美國、加拿大、日本、俄羅斯及本地區(qū)其他國家或地區(qū)現(xiàn)有的地磁子午鏈之間建立最緊密的合作，通過科學(xué)論證和規(guī)劃，在西伯利亞、東南亞等區(qū)域新建若干臺(tái)站，以彌補(bǔ)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(tái)站間實(shí)施密切的協(xié)作；

4）沿全球120°（E）和60°（W）子午圈，在歐洲非相干散射雷達(dá)網(wǎng)（EISCAT）的框架內(nèi)建立非相干散射雷達(dá)鏈。

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

“國際子午圈”計(jì)劃對于實(shí)現(xiàn)“子午工程”的科學(xué)、工程和應(yīng)用目標(biāo)具有倍增效應(yīng)，也是我國為國際空間科學(xué)合作做出的重大貢獻(xiàn)。利用我國“子午工程”建立的基礎(chǔ)和優(yōu)勢，通過“國際子午圈”計(jì)劃來推進(jìn)國際合作，可以調(diào)動(dòng)國際上的各種資源，發(fā)展和建立地域更為廣泛的數(shù)據(jù)獲取能力，使我國在空間天氣監(jiān)測和研究領(lǐng)域具備話語權(quán)，并逐步掌握主導(dǎo)權(quán)，從而推動(dòng)國際空間研究的發(fā)展，促進(jìn)我國和平利用外層空間，實(shí)質(zhì)提升我國科技創(chuàng)新能力和中國對人類科學(xué)發(fā)展的貢獻(xiàn)度。

未來我國空間物理探測發(fā)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(xué)與技術(shù)發(fā)展規(guī)劃綱要（2006－2020）》，將“太陽活動(dòng)對地球環(huán)境和災(zāi)害的影響及其預(yù)報(bào)”列為基礎(chǔ)研究的科學(xué)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(xiàng)，這賦予了空間物理學(xué)探測和研究新的責(zé)任。

未來幾年里，為了落實(shí)國家發(fā)展規(guī)劃，空間物理領(lǐng)域要重點(diǎn)關(guān)注日地空間環(huán)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(dòng)影響地球空間和人類社會(huì)的關(guān)鍵科學(xué)問題上，要取得突破性進(jìn)展；著力提升空間天氣的業(yè)務(wù)服務(wù)水平，增強(qiáng)我國航天活動(dòng)和空間應(yīng)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(huán)境綜合監(jiān)測系統(tǒng)。在天基監(jiān)測方面，大力推進(jìn)空間物理天基監(jiān)測衛(wèi)星系列。針對日地整體聯(lián)系中的關(guān)鍵耦合環(huán)境的“大型星座探測”計(jì)劃（簡稱“鏈鎖”計(jì)劃），繼“雙星計(jì)劃”之后，“十三五”期間爭取推動(dòng)“夸父”計(jì)劃和“磁層-電離層-熱層耦合”計(jì)劃工程立項(xiàng)。針對太陽活動(dòng)、太陽風(fēng)、磁層、電離層、中高層大氣、空間環(huán)境效應(yīng)等關(guān)鍵要素，著手發(fā)展空間天氣監(jiān)測小（微、納）衛(wèi)星（“微星”計(jì)劃），爭取2020年前完成1～2顆小衛(wèi)星的工程立項(xiàng)和實(shí)施，并充分利用現(xiàn)有各種應(yīng)用衛(wèi)星搭載，實(shí)現(xiàn)對從太陽到近地空間主要區(qū)域的空間環(huán)境天基監(jiān)測。2025年前，在我國自主火星探測任務(wù)中提出有鮮明創(chuàng)新特色的空間物理探測項(xiàng)目。在地基監(jiān)測方面，針對我國上空空間環(huán)境精細(xì)結(jié)構(gòu)、特征及其變化規(guī)律，部署“地基探測”計(jì)劃（簡稱“探天”計(jì)劃），以“子午工程”為骨干網(wǎng)向南北、東西擴(kuò)展，建設(shè)“子午工程”二期和“國際子午圈”，以及三亞先進(jìn)非相干散射雷達(dá)等，爭取2025年前完成我國境內(nèi)空間環(huán)境地基網(wǎng)絡(luò)化監(jiān)測系統(tǒng)的建設(shè)。

“雙星計(jì)劃”之后，我國的空間物理衛(wèi)星探測進(jìn)入了一個(gè)10年的沉寂期，新的探測計(jì)劃雖然已經(jīng)提到了議事日程，部分項(xiàng)目開展了前期預(yù)研和關(guān)鍵技術(shù)攻關(guān)，但還沒有正式工程立項(xiàng)。“路漫漫其修遠(yuǎn)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(jìn)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)