太空太空国家

太空物理学当代前沿及其交叉特点!
刘振兴!
(中国科学院空间科学与应用研究中心北京"###$#)摘要文章对%"世纪太空物理学的发展趋势及其与物理学交叉的特点作了论述&主要内容包括:(")太空物理学的地位和作用;(%)%"世纪太空物理学的发展趋势和前沿问题;(')物理学与太空物理学交叉的特点(包括太空物理探测与物理学的交叉,太空物理与等离子体物理的交叉,太空物理与高能物理的交叉,太空开发利用与物理学的交叉)关键词太空物理,物理,交叉01.
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国家自然科学基金(批准号:EF$'E#E#)重大项目%##%G#"G#$收到!
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太空物理学是随着太空技术的发展而迅速发展起来的一门新兴学科,它主要是利用天基和地基手段探测和研究太空中的自然现象、物理状态及其发生和发展的物理过程,以及太空环境变化对人类活动和生存环境的影响&太空物理学的分支学科包括:日地空间物理,太阳行星空间物理和恒星空间物理&太空物理学是一门交叉性很强的学科,特别是与物理学的一些分支学科有十分密切的交叉&本文将在介绍太空物理学的地位和发展趋势基础上,论述太空物理学与物理学的交叉特点&"太空物理学的地位和作用对推动学科发展的地位和作用日地空间物理和太阳行星空间物理的探测和研究,是认识宇宙现象和规律的重要窗口&日地空间和太阳G行星空间是理想的天然实验室,这里存在着人工实验室所不能产生的条件,如超高真空、微重力、强辐射等&这个天然实验室中,存在着各种不同能量、密度和成分的粒子;存在着丰富的物理现象和过程,如磁场重联、多种形式的等离子体不稳定性和波动、粒子的加热和加速、无碰撞激波和无碰撞等离子体边界层等&这些物理现象和过程在宇宙其他天体空间中大都也存在着&由于太空物理学与多门学科密切交叉,太空物理学研究不但推动本门学科的发展,而且对相邻学科,如天体物理、太阳物理、大气科学、地球物理以及等离子体物理和磁流体力学等学科的发展也有推动作用&通过这些学科的交叉研·FJ'·'"卷(%##%年)L期究,还会产生新的学科生长点!
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"#在国家社会、经济和国防建设中的作用随着人类经济、社会和国防建设发展的需求,人类活动的空间范围日益扩大,太空已成为人类经济活动和空间开发利用的重要场所,各种应用卫星,如通信、气象、资源、导航和定位、太阳能发电以及各种试验(生命、微重力、材料等)卫星等都是在地球空间环境中运行的!
地球空间环境直接受太阳活动的控制,经常发生一些爆发性的扰动,如磁层亚暴、磁暴、热层暴、电离层暴和电离层骚扰等!
这些空间暴会引起地球空间环境的剧烈变化,对各种应用卫星产生破坏性的影响!
磁层中的各种粒子事件会使卫星系统产生不同形式的故障,如单粒子反转事件、辐射损伤和卫星充电和放电等致使卫星系统不能正常工作,甚至完全失灵!
电离层扰动会引起通信中断,显著影响导航和定位的精度!
高层大气密度的变化严重影响飞行器的轨道寿命;高层大气的氧原子会使飞行器表面和太阳能电池受到剥蚀损伤!
近年来发现,地球电磁环境的变化,可使高压输电系统、长距离的输油管道和输气管道受到损伤!
从资源开发利用的长远发展趋势来看,太空资源开发利用不仅是限于地球空间,"#世纪对月球和火星探测的最终目标将是开发和利用月球和火星!
现代战争已从陆、海、空部队发展到太空部队,地球空间已成为现代战争的主要战场!
地球空间环境对现代军事活动有重要影响,如侦察目标与空间背景的识别,通信干扰和人工辐射带攻击手段等!
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"$对维护人类生存环境的作用除天然活动(太阳活动和火山爆发等)对地球空间环境有重要的影响外,人类的地面活动和空间活动也对地球空间环境产生显著的影响,这是一个值得十分重视的问题!
随着工业的发展,煤炭、石油的燃烧及氟氯剂致冷电冰箱的使用日益增加,这些人为活动向大气排放大量的$%"和氟氯烃等化合物!
$%"可引起大气的温室效应,而氟氯烃化合物则显著影响大气中的臭氧含量!
现已确认,南北极的臭氧洞和中层大气中臭氧含量的减少主要是由氟氯烃对臭氧层的破坏引起的!
另外,大型的平流层超声速运输机队逐日增加,这些大型飞机排出的氧化物和水汽也可引起平流层臭氧含量的显著减少!
由于臭氧几乎吸收了进入大气层的全部潜在致命的太阳紫外辐射,因此它在保护地球上的生命方面起着重要的作用!
特别是波长范围为的+紫外辐射(也称生物紫外辐射),能直接杀伤生命细胞!
如臭氧减少,到达地面的+紫外线增加,这对地面上的生命有机体起破坏作用,影响人类的生存环境和生态!
必须指出,随着空间活动的日益增加,空间活动对地球空间环境也会产生显著的影响,例如,空间太阳能发电卫星即将成为现实,运载发电卫星的巨型助推器所造成的平流层和电离层的化学扰动是严重的!
将太阳能发电卫星由低轨推入同步轨道的离子发动机对磁层和电离层的影响,以及数十亿瓦的微波能量通过磁层和电离层时对地球空间环境的影响等,这些问题都是需要认真研究的!
太空物理研究,可对人类生存环境的维护提供科学依据和防护对策!
""#世纪太空物理学发展展望人类已跨进"#世纪,在新的世纪,太空探测和研究,将是国际上竞争的一个重要焦点之一,太空开发和利用,将会更加影响着人类经济社会和人民的日常生活!
在知识经济时代,太空探测在太空开发和应用中会起着越来越大的作用!
太空科学和技术发展的水平,是衡量一个国家科技、经济发展水平和创新能力的一个重要标志!
"#世纪日地空间物理学的发展趋势和前沿:经过,'多年的探测和研究,人们逐渐认识到,日地系统是一个密切联系着的整体,像一条锁链一样,一环扣着一环!
这条联锁变化的源头是太阳活动!
"'世纪-'年代实施的国际日地物理探测(.
/01)计划中的一些卫星,第一次探测到了日地系统联锁变化现象!
#--2年#月3日,/%4%(太阳和日球层探测卫星)首先观测到在太阳上发生了日冕物质抛射,到#月#'日,太阳风卫星(56)7)和/%4%观测到了日冕物质抛射引起行星际空间的变化,到#月##日,在磁层中的极区卫星(189:;)和磁尾卫星(:69)及地面设备观测到磁层中发生了一系列的变化和地磁、电离层变化!
目前,对日地系统联锁变化的机理还不够了解!
要揭示日地系统联锁变化的奥秘,需要对一些关键科学问题进行探测和研究!
"'世纪-'年代末,国际上各太空国家都制订了"#世纪"'年代前的太空物理研究和探测计划!
美国@/@提出的年日地空间物理战略计划"太阳A地球联接(/89:;AB:;>C$8)99=D>68))计划"是有代表性的!
该计划的主要研究内容分为三大方面:·'3(·物理(!
)太阳变化的原因和过程"重点研究:太阳内部动力学;太阳等离子体和磁场的相互作用;日冕和太阳风的起源和演化;太阳风与行星际介质的相互作用"(#)地球和行星对太阳变化的响应过程"重点研究:太阳与地球空间环境的相互作用;地球空间环境和行星空间环境的比较研究;太阳变化对地球上生命的影响"($)太阳变化对人类的影响"重点研究:太空天气(太空环境变化)对太空活动、技术系统和人类生存的影响;太阳变化对地球大气变化的影响;生命起源;太空中的可居住性"总的来看,年国际上日地太空物理的发展趋势是:(!
)进一步开展日地系统整体联系过程的研究;(#)将地球空间环境和行星空间环境结合起来进行比较研究,了解地球空间环境未来的演化过程;($)重视日地空间环境变化对航天活动、人类生存环境、人类在空间可居住性影响的研究;(&)在太空探测方面的发展趋势是:!
发展探测地球空间环境的小卫星星座探测技术;!
发展轻小型的场和粒子的探测仪器;!
发展集成的、轻小型的紫外、'射线和中性原子成像仪器,发展抗辐射的加固包"!
进一步开展国际合作"#!
世纪前#%年,在日地空间探测方面将有一些新的举措,主要表现在:(!
)在太阳和日球探测方面,发射靠近太阳($个太阳半径)的太阳探测器,了解日冕加热和太阳风加速过程及日冕物质抛射(012)和太阳风的产生机制;发射太阳极区成像卫星3*+,45+6/,),探测太阳高纬度的变化,对日冕物质抛射的动力学效应进行整体的成像;发射太阳风警戒卫星,监测太阳风扰动的三维结构、行星际激波的三维结构及日冕物质抛射在行星际空间的演化过程;发射日地关系观测器((72829),追踪日冕物质抛射从太阳到地球的行踪,监测高能粒子加速的机制及其位置"(#)在地球磁层探测方面,发射小型的磁层星座卫星(!
%—!
%%个),分辨磁层的时空变化,研究磁层亚暴过程、磁层对流、三维电流体系和磁层能流的传输过程;发射磁层多尺度探测器,研究磁层顶边界层和磁尾等离子体片区的磁场重联,磁层亚暴过程和大、中小尺度的相互作用;发射立体的磁层成像卫星,进行整体磁层动力学的可视化观测,了解磁层亚暴的发展过程,跟踪磁层耦合链的因果关系"($)在中高层大气探测方面,发射电离层、热层、中层(:71)动力学卫星,研究中高层大气和电离层质量、能量耦合的动力学过程;发射中层耦合卫星,了解中层大气的动力学和光化学过程及人为活动的效应,发射全球的电动力学卫星,研究磁层;电离层;低层大气间的电动力学过程"通过上述的卫星探测,可全面了解日地系统联锁变化链的机理和因果关系"$卫星、行星和恒星际探测与研究前沿#!
世纪,人类对太空探测有一些新的创举"人类将在月球上建成有生命保障系统的月球基地;人类将登上火星,在火星上建立观测站,为开发利用火星作准备;飞出太阳系,对恒星际空间进行探测"!
"#建立月球基地!
月至!
#年!
#月,美国执行了"阿波罗"(-)**))载入登月计划,在这之后,月球探测沉寂了#%多年"#%世纪月#(日至"(("年)月#(日举办有奖购书活动,本次活动采取抽奖的形式,奖项为一等奖名,奖品为价值#(((元的天文望远镜一台;二等奖#"名,奖品为价值%%(元的《第一推动丛书》一套;三等奖#)名,奖品为价值""(元的《星球探秘丛书》一套;幸运奖@(名,奖品为《黑洞》一本!
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