空間物理知識（三）

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什麼是雙星計劃

雙星計劃是我國第一次以自己提出的探測計劃並開展國際合作的重大科學探測項目。雙星計劃與歐空局Cluster II的4顆衛星相配合，在人類歷史上第一次進行地球空間「六點探測」，開始了地球空間天氣多層次和多時空尺度研究新階段。雙星計劃主要研究太陽活動和行星際擾動觸發磁層空間暴和災害性地球空間天氣的物理過程，進而建立磁層空間暴的物理模型，地球空間環境動態模型和預報方法。雙星計劃包括兩顆小衛星：近地赤道衛星，軌道高度577—78916公里和近地極區衛星，軌道高度558—38362公里。赤道衛星將探測近地磁尾區的磁層空間暴過程及向陽面磁層頂區太陽風能量向磁層中的傳輸過程；極區衛星將探測太陽風能量和近地磁尾區能量向極區電離層和高層大氣的傳輸以及電離層粒子向磁層中的傳輸過程。這兩顆衛星運行於目前國際日地物理計劃（ISTP）探測衛星尚未覆蓋的地球空間重要活動區。赤道衛星和極區衛星相互配合，構成具有明顯創新特色的星座式獨立探測體系，可以對地球空間暴發生機制和發展規律進行立體探測。「地球空間雙星探測計劃」的軌道設計和科學目標，正是當前國際上日地空間物理髮展所需求的，因而受到了國際空間物理界的重視，並主動表示積極與雙星計划進行合作。1997年11月歐空局科學代表團訪華期間，歐空局科學部主任R.Bonnet和CLUSTER2項目科學家對雙星計划進行了認真的評議，指出：「中科院空間中心提出的雙星計劃將會對正在實施的國際日地物理計劃（ISTP）作出重要貢獻，對於提高歐空局CLUSTER2項目的科學意義也是至關重要的。」

空間探測的現狀

 40年前絕大多數科學家都認為地球除了接受太陽光的輻射恩惠外，幾乎是在一個空無一物的真空中估計的運行著。現在這種觀念已經根本的改變了，於是便誕生和成長起日地空間物理。如果說地球是沉沒和行駛在在一種電離氣體－等離子體的海洋里，像潛艇在海洋中一樣，在充滿各種能量的等離子體洪流中行駛著，人們也會感到驚奇。確實地球就在這種「海洋里」，每時每刻都經受著平均風速高達400公里／秒太陽風等離子體的吹襲。即使你沒有聽到風吼，也感覺不到房屋和大地的搖動，這狂風確實強烈地影響了地球。在地球的兩極區，會突然有極光從天空上垂掛下來；地磁場發生了強烈的擾動――磁暴；無線電通訊突然中斷；衛星上的儀器莫名其妙地損壞了；地面上長程輸電線路感應了新的電流……這些想像都與地球外空發生的某些物理過程有關。

20世紀前50年，人們對地球外層大氣和電離層都知之甚少，更不用說廣袤日地空間里的現象。受觀測手段的局限主要是地面上對地磁變化的觀察，分布全球的地磁台長期觀測分析出地磁場的各種變化，並由此反演和推斷引起這種變化的外空原因。地磁場每日規則變化反演地球高空電離層電流體系和由地磁暴推斷圍繞地球環電流的存在就是成功的例子。

早在1931年恰普曼就預見到地球磁場不會延伸到無窮遠，他們將被太陽風限制住，他計算了太陽風等離子體和地磁場的相互作用。把高速向地球掃過來的太陽風等離子體看做是幾乎沒有電阻的導體平面，在導體一側有地球偶極子磁場，另一側是沒有沒有磁場的等離子體，這樣太陽風等離子體前進到接近地球磁場時，導體品面就產生感應電流，這感應電流既把地磁場限制在一定範圍內，同時也阻止太陽風等離子體穿入地磁場深處。這就是我們今天了解到的地球磁層形成的雛形。1958年美國天文學家帕克（Paker）預言了太陽風――太陽連續吹出的等離子體流，四年後被觀測證實地磁場被太陽風包圍，完全被限定在一個範圍，地球和行星際空間接壤有了自己永久的邊界，這就是磁層。太陽高能粒子可直達電離層和地球大氣。夜間圍繞地磁尾是薄的等離子體片。在環繞地球的赤道區高能電子和離子形成幾個分立的捕獲區，叫做輻射帶，它們被更廣大的熱等離子層包圍著。所有這些結構都通過地磁力線與地球的電離層聯繫著。邊界層附近是太陽風穿入磁層的冷等離子體和由磁層內部逃逸出來的等離子體混合著。太陽表面發生的劇烈活動（耀斑、日冕物質拋射事件等等），會使通常比較穩定的行星際太陽風發生劇烈變化，並影響地球磁層，特別是將能量聚集到磁尾，然後通過磁暴和磁層亞暴將能量釋放出來。磁暴和磁層亞暴主要通過粒子塵降、場向電流和對流電場，向地球兩極地區輸送能量產生極光，並引起電離層、熱層擾動，形成電離層暴和熱層暴，影響中性大氣和電離層全球結構變化。在磁暴期間，赤道環電流增強，在地面形成強烈的地磁擾動。有時磁暴期間還會形成輻射帶相對論性電子增強，它是和太陽活動密切相關的。

在空間時代來臨之前，人類對外層空間的認識主要是根據地球表面觀測到的現象去推測外層空間所發生的一些物理過程。1958年第一顆人造地球衛星的發射成功開闢了人類對地球外層空間和行星際直接探測的的新時代，隨著航天技術飛速發展，人類探測、研究和利用日地空間的能力也有了極大的提高，發現了大量新的現象（地球輻射帶、地球弓激波、磁層頂、磁尾和太陽風等）。目前空間探測的重點已由早期開拓疆土式的空間發現轉入深入了解地球空間環境發生複雜物理過程方面。