空間物理知識（四）

地球周圍的空間是怎樣構成的

我們先來看看地球周圍的空間是怎樣構成的：

緊靠著地球表面的是大氣層。它保護了人類，使我們不受太陽和行星際有害輻射的影響。從地面向上，大氣越來越稀薄，但仍保持著中性，它的成分和地面的大氣沒有本質差別。我們將離地面85公里以上的大氣稱為中高層大氣。在五、六十公里以上，太陽的紫外輻射和X射線使空氣電離，電離成分越來越大，形成了電離層。電離層可以使通過它的無線電波發生折射、反射、散射並且被吸收。它們是現代無線電通訊的基礎。地球還是一個具有內在磁場的星球。這個磁場也是保護人類的一道屏障。它把太陽發出來的粒子流（即太陽風）擋在離地球6萬公里以外的地方，使地球不會像月亮那樣一片荒蕪。太陽風是高導電的流體，到達地球附近受到地球磁場的排斥，形成包圍地球的空腔，即「地球磁層」。地球磁層是大多數應用衛星運行的區域。磁層里並不是空的，裡面充滿了各種溫度的等離子體和各種能量的帶電粒子。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沉降、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。

日地空間物理未解決的前沿問題

人類經過了數千年的努力，從陸地走向海洋，飛上藍天。以1957年成功地發射第一顆人造地球衛星為標誌，人類進入了太空，開始了太空時代。近50年來人類發射了幾千顆衛星，為人類提供了通訊、導航、氣象、資源勘探等方面的服務，已經成為人類生活不可缺少的部分。然而，肩負重任的各類衛星在太空卻面臨及其嚴酷的環境，衛星不斷被破壞。就像地面上有電閃雷鳴，颳風下雨一樣，地球空間中也有類似的現象。例如地球磁層亞暴過程中，大量的帶電粒子象疾風驟雨一樣從地球磁尾（即背離太陽一側）向地球衝過來。這些電子能夠導致衛星充電，嚴重時可以將衛星充電到幾萬伏高壓，最後導致衛星放電被燒毀。地球磁暴過程中，圍繞地球形成了一個巨大的電流環，其強度可以達到幾百萬安培。這個巨大的電流通過地磁場的劇烈變化可以在地面上感應出巨大電流，將地面上輸油管道，供電線路燒毀。伴隨著磁暴產生的高能粒子，可以象子彈一樣擊毀衛星上部件。例如：1991年7月7日，歐洲遙感衛星上的CMOS器件被燒毀，精確測速測距裝置破壞，衛星停止了工作。1997年1月11日，美國AT&T公司的Telstar401衛星被太陽活動引起的空間環境擾動損壞，導致北美的尋呼機和長途電話大範圍中斷，通訊中斷的影響甚至波及到了金融、股票正常的運行。1998年5月的一次太陽耀斑爆發後，當日冕物資拋射/磁雲掃過地球時，在地球磁層(L=2-7)引起了持續幾周的新的相對論性電子輻射帶，德國科學衛星EQUATOR－S和美國商業衛星GALAXY－4遭受高能電子的轟擊而深層充電，於5月1日和19日先後報廢。為了避免和減少人類航天活動的損失和危險，就需要對空間環境發生的各種物理過程有一個深入的了解，進而就像預報地面上颳風下雨一樣，實現對空間環境中各種重要災害性事件進行監測和預報。所以地球空間並不是靜止的，它是太陽活動的影響下經常處於劇烈的擾動狀態中，稱為地球空間暴。其中磁層空間暴(包括磁層亞暴，磁暴和磁層粒子暴等)是地球空間暴的最重要部分，也是一些其它地球空間暴的產生源頭。在地球兩極地區發生的極光就是磁層亞暴的一種表現形式。這些與人類活動密切相關的磁層空間暴的產生機制和發展規律目前還不為人類所了解。以劉振興院士為首的中國科學家提出的地球空間雙星探測計劃的科學目標就瞄準了這一最有挑戰性的重大科學問題。

雙星探測計劃的重要意義

一、重要科學意義雙星和Cluster四點星座計劃結合，是空間物理學發展史上第一個以磁場－等離子體系統多尺度相互作用和地球空間三維時－空變化為目標的探測和研究計劃。它為進行重大原創性研究提供了廣寬的研究空間，可將我國日－地物理學研究推向國際前沿，對推進我國空間探測技術跨越式發展、提高我國空間物理研究和空間天氣預報的創新能力具有重要意義。（1） 全面了解地球空間環境聯鎖變化的物理過程（2） 通過雙星計劃的實施，除獲得雙星的大量科學數據外，還可獲得Cluster II四顆衛星（44台儀器）的探測數據和與Cluster II相配合的30個地面站的觀測數據，以及國際其他衛星的探測數據，揭示地球空間等離子體與磁場的三維小尺度結構及多尺度相互作用的物理圖象。（3） 提供空間物理和等離子體物理研究的「空間實驗室」，推動太陽物理、磁流體力學、特別是等離子體物理學和天體物理學等相關科學研究以及行星空間環境比較研究的發展。（4） 人才培養通過本項目研究，可培養一支熟習空間探測技術、數據處理與分析和理論研究的、水平高、人數多的年輕科技隊伍，並鍛煉和湧現出一批具有國際影響和知名度的、為我國空間科學技術和等離子體物理學的發展做出傑出貢獻的優秀人才。（5） 建立我國的星—地聯合觀測系統雙星計劃與「亞太合作小衛星計劃」和地面「子午鏈工程」相配合，形成我國的星—地聯合觀測系統。這對我國的空間物理和空間環境研究和發展將起重要作用。二、應用價值本項目的實施可為保障我國航天活動的安全提供科學數據、科學依據和對策。　　地球空間是各種應用衛星（氣象衛星、通信衛星、資源衛星、導航定位衛星等）、太空梭與空間站的飛行區域，是目前人類開發和利用太空資源、進行太空軍事進攻與防禦的主要活動領域，同時也是主要的災害空間天氣的直接發生地。地球空間暴是空間天氣研究的核心內容。本項目可為空間天氣預報建立理論基礎，提供預報方法和模型，為我國今後空間天氣地基和空間觀測網重大工程的建設進行概念準備。三、重要戰略意義通過雙星計劃，提高我國與歐空局空間合作層次和開拓合作範圍，顯示我國的實力和水平，提高我國在國際空間物理界的地位和作用，這對打破國際上單極壟斷的局面，具有重要戰略性意義。

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