[科普中国]-近地空间

定义目前公认定义

近地空间是指从地心起 1.015～6.6 个地球半径范围内的空间区域即从地球海平面起约100~36000km 的球壳状区域。

其他定义也有学者定义近地空间为地球周围大气层以外的空间。

航天性质的定义对于航天活动，近地空间一般可以定义为航天器绕地球作轨道运动的空间范围。

近地空间环境组成近地空间环境主要包括中高层大气（平流层、中间层、和低热层）、电离层磁层

1.中高层大气主要由中性气体组成

2.电离层则是部份电离的等离子体

3.磁层空间则充斥着稀薄的等离子体

不同的圈层中发生的物理过程有着不同的特点，如中高层大气中，大气重力波的耗散或破碎过程及其对背景大气的作用程度，重力波、潮汐波、和行星尺度波的相互作用对于中高层大气动量和能量的影响。地球磁层中磁场重联以及波和粒子的相互作用过程；各圈层间的动力耦合过程及其效应等。对有关的物理问题的研究不仅有着重要的物理意义，同时对开展积极而安全、可靠和高效的航空航天活动也起着重要的指导作用。2

影响因素环境要素近地空间环境由多种环境要素组成，其中对航天活动存在较大影响的环境要素主要包括：

太阳电磁辐射、

地球中性大气、

地球电离层、

地球磁场、

空间带电粒子辐射、

空间碎片、

微流星等。3

摄动环境摄动环境是影响航天器飞行轨道和姿态的最主要因素，就近地空间而言主要包括高层大气、太阳光压、第三体摄动和地球非球形摄动。

大气环境和真空环境近地空间内的大气环境和真空环境是对立统一的，只是研究的侧重点不同。空间大气的研究是建立在大气成分、温度、压力及密度等参数基础上的，随着高度的增加，这几个参数都发生很大变化。当某一范围内气体压强（或密度）小于某一特定数值时就产生了所谓的“真空”。航天器运行的轨道越高，其真空度也越高。因此可以将空间大气环境理解为真空环境中的残存气体。

太阳光压光子具有能量和动量。根据动量定理，太阳射线辐照在航天器表面时，对航天器产生作力，这就是太阳光压，它能够严重影响航天器的姿态和自旋速率。决定太阳光压效应的因素有：

a. 航天器结构表面的光学特性；

b. 航天器相对于太阳的位置（地球公转位置）；

c. 太阳辐照压力中心相对于航天器质心的位置和航天器受照面积；

d. 太阳光子流强度、频谱及方向。4

第三体引力摄动所有物体之间都存在万有引力，故航天器运行过程中必然也受到第三体引力的影响。近地空间内可对航天器构成影响的第三体只有太阳和月球。航天器背对太阳时冷黑环境占主导地位，可忽略月球反照对航天器温度的影响。

非球形摄动地球形状并不规则：赤道半径约6378.137 km，极半径约 6356.752 km；南北半球也不对称，北极略突出，南极略扁平。这种不规则性导致了地球质量不均匀，进而影响重力加速度。加速度的不规则将对航天器轨道产生摄动作用，其中地球扁率是主要摄动项。

非震电磁扰动地震卫星星轨道区域存在着来自空间的多种非震电磁场扰动,其特性和来源也较为复杂，他们不仅与太阳活动和行星际扰动有关,而且与地球空间的磁暴,亚暴和粒子暴密切相关，幸运的是这些波动只是在高纬地区比较强烈,在人类活动频繁的中低纬地区相对较弱。磁场波动主要包括电磁离子回旋波,哨声,等离子体层嘶声,合声和地面发射VLF波动,闪电,电力系统谐频辐射。其中电磁离子回旋波、等离子体层嘶声和合声都在平静时期可以观测到,但在磁暴、亚暴期间会显著增强。因此,在分析地震星探测数据时,必须密切注视空间环境方面的变化信息,将空间环境扰动信息与地震上传的扰动信息区分开来。5

成因及影响近地空间某个环境可能是其他几个环境共同作用的结果，比如地球辐射带是地球磁场和高能粒子共同作用的结果；同样，某一种环境可对航天器产生多种效应，比如太阳电磁辐射既可以产生热辐射效应，也能产生光压摄动效应。所以近地空间环境对航天器影响是各种环境因素综合作用的结果。各种环境因素对航天器的作用也有大小主次之分，这取决于航天器的飞行参数：比如 2000 km 以上的大气对航天器的影响可忽略不计；在飞行高度大于5000 km 时，航天器受日月摄动的影响会大于地球非球形摄动的影响。 近地空间环境条件与人类的生存和发展有着密切的关系。随着社会的进步和航天事业的发展，研究近地空间环境及其对航天器和航天员的综合效应显得十分必要。

使用情况目前，全球40%的航天飞行器和100%的洲际弹道导弹与潜射弹道导弹主要运行于这一空间。在上世纪末以来的几场高技术局部战争中，近地空间在军事领域中的地位作用已日益显现，并成为各主要军事强国纷纷争夺的一个“新高地”。

研究方向

（1）中高层大气中大气重力波的耗散或破碎过程

（2）地球磁层中的磁场重联过程及其效应

（3）地球磁层中的波和粒子间的相互作用及其带电粒子加速

（4）近地空间环境中各圈层间的动力学耦合。

分类近地空间飞行环境分为航天器本体环境和航天器近地空间环境。

航天器本体环境是指航天器本体某些系统处于工作时或在外层空间各因素作用下产生的环境，主要包括推力器环境、电磁环境、振动冲击环境、材料逸出物引起的分子污染等。

航天器近地空间环境是指宇宙空间存在的且在近地空间范围内产生时空分布特性的物质、辐射和力场等环境，就其形成而言，主要是由太阳、地球、其他宇宙天体等在近地空间区域内综合作用的结果，很难截然划分。本文对近地空间环境及其对航天器可能产生的效应作综合分析。

近地空间资源近地空间资源可以包括下列几方面：

臭氧层在离地面02~50公里之间,大气中的臭氧的混合比(臭氧含量/空气总量)最大,称之为臭氧层。尽管臭氧在大气中的含量很少,但它对于人类和生物的影响却非常重要。其原因在于臭氧具有强烈的吸收太阳辐射中的强紫外线的能力。如果没有臭氧层的存在或其含量减少,太阳的紫外辐射就会过量地到达地面。这不仅会使细胞核分裂(细胞增生)受到阻止,危及低级生物的生命,而且还会大量毁坏去氧核糖核酸,使人的皮肤灼伤,诱发皮肤癌。

电离层电离层是高空大气层中能反射无线电波的电离介质区域,其范围从离地面50~60公里起一直延伸到几千公里高度的空间。根据电离层中电子浓度(单位体积内含有的电子数目)随高度变化的几个极大值区,习惯上把电离层分成D层、E层和F层(F;、F:层)以及外电离区。电离层各层对不同频率的无线电波传播有着不同的影响。电离层对短波除了有吸收作用(主要是E层底部和D层区域)外,还有折射和反射。

高层大气相对于地球表面比较高远的位置，如前所述,近地空间的下限高度约在40~50公里,上限高度约在500公里。虽然这一高度区间比中、高轨道的航天器所达到的高度来得低,但已超过了航空器的升限(近代飞机最大升限为36公里,探空气球的升限一般为30一40公里)。近地空间相对于地球表面比较高远的位置,相对于稠密大气层或航空器所能达到的高度来讲,视场可以更为广阔,能观察到的地球表面的范围更大,相对于外层空间或航天器(不包括近地轨道)所能达到的高度来讲,能见度比较高,可以观察到更为清晰的地面景象。

低密度低密度是近地空间环境的显著特征。众所周知,大气密度随高度增加按指数规律迅速减小。近地空间中的大气密度仅为海平面大气密度的1-0“一10“`2,而在其下面的大气层中儿乎集中了整个大气质量90~95%。

应用高空飞艇就是在近地空间持续巡航飞行的一种半自主浮空器。美国将近地空间视为空军新提出的空间作战概念的一个组成部分,认为近地空间是能够提高情报搜集能力的潜在高空区域,打算将其作战范围扩展到这一尚未控制的区域,并以高高空飞艇用作通信中继和监视平台,对空军作战予以支持,同时对美国NMD(NationalMissileDeefnse)—国家导弹防御系统予以补充。目前比较有潜力的高高空飞艇开发项目包括美空军的近地空间机动飞行器(NSMv),即v形飞艇以及约翰斯·霍普金斯大学正在设计的一种可充气、一次性使用高高空飞艇和美国导弹防御局(MDA)提出的“高空飞艇(HAA)”。特别值得一提的是,虽然以上飞艇名称各异,但实际应用中其飞行高度都在近地空间范围之内,因此都可以界定为高高空飞艇。高高空飞艇在近地空间这一特殊领域潜在的军事价值使人们对高高空飞艇的运用方式和能力有了新的认识,这必将在全球掀起一场高高空飞艇在军事应用中的革命。

中国载人航天工程总设计师周建平表示，目前正在按计划实施我国载人空间站工程，2020年前后我国将建成和运营近地载人空间站。

根据计划，我国将于2016年前研制并发射空间实验室，突破和掌握航天员中期驻留等空间站关键技术，开展一定规模的空间应用；2020年前后，研制并发射核心舱和实验舱，在轨组装载人空间站，突破和掌握近地空间站组合体的建造和运营技术、近地空间长期载人飞行技术，并开展较大规模的空间应用。6

研究部门中国科学院近地空间环境重点实验室

实验室定位：

实验室将致力于近地空间环境前沿科学问题的研究，揭示近地空间环境各圈层之间的耦合过程以及物质与能量的输运机制，提高国内地基光学和空间有效载荷的研制水平，建成国际上重要的近地空间环境研究中心和高端人才培养基地，满足国家在近地空间环境保障、空间探测等方面的战略需求。

人才队伍

实验室共有固定人员43人，其中研究人员30人、技术支撑人员11人、行政管理人员2人；正高级职称人员26名、副高级职称人员10名；中国科学院院士2名、千人计划A类入选者2名、杰青8名、青年千人4名、百人计划入选者2名（不重复计算）。拥有1个国家基金委“地球空间环境及其对太阳活动的响应”创新群体，1个教育部创新团队。

科研条件等基础

实验室面积约占7000平方米，其中仪器用房面积约4000平方米（不含蒙城国家野外观测台站所占面积）。拥有4个实验观测支撑平台：

（1）蒙城国家野外观测台站：担负观测中高空大气、太阳活动、地震、地磁、地电等现象的任务，是中国科学院日地观测网络的重要基地。

（2）临近空间探测平台：建成了“Mie-Rayleigh-Na荧光双波长激光雷达系统”和“车载多普勒测风激光雷达系统”，正发展可探测至70公里的多普勒测风激光雷达系统和钠层测温测风激光雷达。

（3）空间有效载荷研制平台：拥有千级洁净室、电子学实验平台、离子束标定系统、真空室、测试和存储真空箱等，可用于有效载荷的设计、组装和测试。

（4）数据、模式与计算平台：建有总数据容量为80T的大容量数据存储系统，已实现对本实验室的激光雷达观测数据、以及国外的STEREO、SOHO等卫星数据的自动收集和整理。建有计算集群，浮点运算能力为1.36Tflops，可用于各种近地空间环境模式的运行。7