[科普中国]-空间环境探测

发展历程

空间探测是人类进入太空以后开拓知识、认识宇宙的最前沿和最具创新意义的主要手段，而空间环境探测则是进行得最早、也是与人类活动最为密切的空间探测。空间环境探测的目的在于人们去认识宇宙的本质，测绘宇宙的结构、监测宇宙的变化、开发和利用宇宙。科学家的任务就是要通过各种探测技术，获取空间环境的各种相关数据，分析认识这些数据，并试图建立一个自然的、真实运转的、相互紧密联系的外部世界图像。2

在人类进人太空之前，对于茫茫宇宙了解得很少，也不可能理解空间发生的许多事情，正是空间探测发现了地球辐射带和磁层，探测了太阳风的特性，可以说空间物理学是在大量空间探测的基础上诞生的。科学的历史清楚地告诉我们，新的探测方法和新颖的探测技术在科学发展的历史中总是带来知识的进步。空间环境科学也不例外，随着航天技术的发展，不但将人和探测器送上了月球，还将探测器送到离地球越来越远的星球，让人们揭开了火星，木星等神秘星球的面纱，使神话、推测变成了科学；通过红外、紫外、可见光和高能电磁辐射波段进行的观测，在人们面前展现了一幅崭新的、壮观的图像。空间科学，包括空间环境科学正是在所有空间探测成果的基础上建立和发展起来的。2

在人类的太空活动中，空间环境探测不断向航天技术提出新的要求，是航天技术发展的动力之一。另一方面空间环境探测也为航天活动提供了安全保障。空间环境探测的重要成果是对广阔的空间环境进行了“测绘”，发现了可能影响航天器安全的环境参数，并对它的分布和变化特征进行了测量，预测了各种轨道上航天器将会遇到的空间环境因素。在空间探测的基础上研究了空间环境对航天器可能造成的影响，在航天器发生故障时，空间环境的探测结果可用来推断故障的原因是来自空间环境的干扰，还是技术设计上的原因，进而提出减轻或消除不良影响的措施。空间环境是不平静的，航天器在空间还会遇到太阳活动引发的各种“风暴”，这种比平时更加恶劣的环境对航天器和航天员构成严重威胁，监测这种“风暴”并预报它的到来，也是空间环境探测对航天安全可靠保障的重要部分。2

空间环境探测的内容应包括空间磁场，电场，重力场、电磁辐射、高能带电粒子，空间等离子体、地球高层大气、微流星体等自然空间环境，以及人为造成的空间环境，如空间碎片、航天器诱发的各种污染、核爆炸造成的空间辐射等等。本书主要涉及与航天活动关系较密切、影响较大的空间环境的探测，主要有空间磁场、电磁辐射、高能带电粒子、空间等离子体、高层大气、微流星体和空间碎片等。2

探测方式一般说来，空间环境的探测有三条途径可供选择，这三条途径通常叫做“直接探测”、“间接探测”和“遥感探测”。

直接探测直接探测直接探测是指把探测器(传感器)放在所要测量的某种特性的介质中，所放置的位置紧靠它的周围环境。已经为卫星、火箭和气球装置发展了许多这类直接探测器，如测量地球辐射带粒子的通量，是直接把高能带电粒子探测器安装在穿越地球辐射带的卫星上进行直接探测。大多数这类探测器都是由实验室的仪器发展而来的，如测量带电粒子的各种探测器大多是曾在地面实验室使用过的核探测器发展而来的。直接探测方法通常是特有的，它只对所要测量的参量响应，但是，由于它们的存在可能扰动被测量的介质，因此，需要尽量减少这种影响，并尽可能对所测量的参量进行必要的修正。这种方法由于需要一个飞行器将探测器放置到指定的地点，因而所需费用昂贵。3

间接探测间接探测是指把探测器放置于所要测量的介质中，它并不使用带有探测器的仪器装置(虽然它可以携带遥测装置)，介质的特性是通过在远处观测传感器的运动导出来的，正如我们所了解的高层大气的密度测量也可以通过间接途径来测量。例如，通过发射气球卫星，在地面观测其运动可以导出卫星轨道处的大气密度。这种方法对于间接探测器自身来说可能是相当简单的和相对便宜的，但它也需要一个飞行器。3

遥感探测遥感是指探测器没有被放置在所要测量的介质中，但是，介质的特性是由穿越介质的、或者由介质发射的波的观测导出来的，监测的波可以是电磁波或者声波。如果波是从一个发射机传输到介质的(如电离层测高仪、非相干散射雷达)，我们称之为主动遥感。如果波是来自自然过程而呈现在介质中(例如极光)，那么我们称之为被动遥感。许多种技术都可以作为遥感的手段，因此，要归纳它们的优缺点是困难的。就其时间的连续性和经济性来说它们是有优势的，装置既不要大的消耗，也不用回收。但在某些远距离技术方面存在解释的困难，因为波通过一段距离传递后，影响波的性能可能是整个路径而不仅仅是一个特殊点。“遥感”这个术语在卫星一地面观测(陆地地势、云的覆盖等)中也常常使用，这些是真正的遥感的例子，但是，它们明显地不包括在我们的范围。3

探测手段地基探测地基探测是将探测设备安放在地球表面对空间环境进行的探测，例如太阳望远镜对太阳的观测，电离层测高仪对电离层的探测．它具有以下特点：

(1)长期定点连续探测．由于地基探测的设备安置在地面上，便于长期连续进行探测，有的探测记录，如在磁场探测、太阳活动观测，已经有数百年的历史，对于研究空间环境的变化规律是非常有用的数据．

(2)随地球运动过程可对一定的时间和空间范围进行探测。地面台站虽然是固定的，但台站随地球运动的过程中可以获得一定的时空变化规律，例如可以获得空间环境参数的日变化、年变化等，它们既是随时间的变化，也反映相对太阳的不同位置的变化．4

(3)可以按需要组网．与地面不同位置对应的空间环境参数很不相同，因此根据探测目的在全球适当位置布置台站网，即可获得空间环境参数在地面上的分布，这是卫星探测所无法实现的．组网的方式也有多种，可根据探测目的来组织，例如沿纬圈按一定的经度间隔布站，保证总有一个观测站可以看到太阳，实现对太阳的连续监测；可以沿经圈布站，研究空间环境扰动沿子午线的分布，或研究在极区和赤道之间的传播；也可以在较小的区域内布置较密的台站，研究小尺度的分布等．4

(4)易维护、成本低．地面设备维护非常方便，特别是一些需要经常标定的设备，例如记录地磁场的磁变仪，需要经常进行基线值和灵敏度的测定，在空间是很难进行的，在地面上则没有任何困难．台站建设虽然需要一定的经费，但比起发射一个航天器来所需经费要少得多，而且台站的运行维护费用相对也较低．

(5)遥感方式受大气的影响．地面探测设备通过遥感方式观测空间环境时，光学或高能电磁辐射观测不可避免地要受大气的影响，严重的可使观测无法进行，例如大气吸收使紫外、x射线波段无法进行观测，大气中的云层使可见光也无法观测，即使正常的观测也大多需要进行大气修正．无线电波观测则要受空间等离子体的影响．4

火箭探测探空火箭是近地空间探测的重要手段之一，它能把探测仪器带到一百至几千公里的高空进行测量．为了减少稠密大气的阻力以达到最大高度，探空火箭一般都是垂直向上发射的，在到达最高点附近时，通过一个短短的弧线运动转为向下的自由降落．因而每一枚探空火箭都能得到一个垂直的从上到下的剖面．为了延长探测时间，获得更多的探测数据，往往将仪器舱与火箭体分离，仪器舱依靠降落伞缓慢降落并回收．探空火箭虽然飞行时间比较短，一般只有几十分钟，但它比较机动，能够根据研究课题的要求随时发射，而且成本低，技术上也较容易实现，因此它和卫星成为两种互相补充的探测手段．第一张太阳紫外辐射照片就是用火箭将紫外相机带到高空拍摄的．4

天基探测天基探测是指以卫星和其他轨道上的航天器为载体，在空间进行的现场测量，或者用遥感的方法进行的成像观测．天基探测是空间环境探测的主要手段，也是空问环境数据的主要来源．

目前空间环境科学研究的区域主要是日地空间，探测器的轨道以围绕地球的卫星轨道为多．根据开普勒定律，卫星轨道是椭圆形的(或圆形的)，轨道的大小、形状、方位，轨道面的取向，卫星的位置，由6个轨道根数确定，即长半径、偏心率、升交点赤经、倾角、近点角和过近地点时刻．根据探测目的选择探测器的轨道：中性大气和电离层的测量大多采用大倾角、低高度、圆或近圆轨道，大倾角可以获得全球各地的数据，圆轨道可以获得空间环境参数的球面分布．高能带电粒子和热等离子体的分布范围比较宽，需要对几百公里到几万公里的高度区域进行探测，选择近地点高度数百公里，远地点高度数万公里的大椭圆轨道即可满足需求，它通过带电粒子最强的辐射带核心区域，到达热等离子体最活跃的地球同步轨道区域，而且可以获得整个高度剖面的数据．监测太阳活动要求能连续观测太阳，有几种轨道可供选择，一是轨道平面与太阳方向垂直的太阳同步轨道，二是地球同步轨道，三是日地之间的第一秤动点，即日地引力平衡点．秤动点是十分优越的监测太阳风的位置，因为它处于磁层以外，可以直接测量到未被磁层扰动的原始太阳风，而且在太阳风中始终位于地球的“上风”处，太阳风扰动先期到达秤动点，然后经过约2小时才到达地球附近，诱发近地空间扰动．从而给空间环境扰动警报提供近2小时的提前量．4

天基探测具有如下特点：

(1)直接探测．天基探测是将探测器安置在空间，现场对空间环境进行探测，只要探测器设计正确，无须其他理论工作的支持，由遥测参数立即可以通过探测器的特性得到该点的物理量，是完全客观的．

(2)受航天技术制约，费用昂贵，研制周期长．天基探测的成败和优劣与航天技术有密切的关系，航天运载能力、测控能力、数据传输能力决定了探测器能否进入所需轨道、能否携带性能优越的有效载荷、能否将探测的大量数据传输回来．天基探测费用昂贵，美国的小型探测卫星费用也在数千万美元以上，研制周期也需数年．4

(3)高空间分辨率．由于探测器在空间直接进行探测，探测的空间分辨率决定于探测器的采样率与飞行速度，在低轨道上如果每秒钟采样一次，数据的空间间隔大约是8 km，对于许多空间环境参数来说已经够用了，随着航天技术的发展，数据储存和传输的能力大幅度提高，采样率还可以进一步提高，相应的空间分辨率也随之得到提高．4

(4)对太阳的遥感成像不受大气的干扰．限制地基太阳观测的最主要因素是地球大气，而天基探测则完全摆脱了大气的干扰，不仅提高了可见光观测的清晰度，而且可以把观测的波段扩展到红外、紫外和x射线．由于天基观测没有大气散射的干扰，为日冕观测提供了较好的条件．

(5)大视野成像观测．从轨道上观测近地空间时，观测距离远，观测视野大，有可能把整个地球纳入视野之中，从整体上观测空间环境参数的空间分布和变化．例如可以观测整个半球的极光，测定其强度分布，从整体上记录其形态的变化．再加上没有大气的干扰，可以在红外、紫外和X射线波段内进行观测．4

主要内容空间环境探测的主要内容包括：空间环境扰动源的监测、空间环境状态及其变化监测、空间环境对人类活动的影响监测3个方面。

1 、空间环境扰动源的监测

空间环境扰动的主要源头是太阳大气活动。太阳日冕物质抛射、高速太阳风、冻结在太阳风中的行星际磁场、行星际激波等是诱发地球磁层暴，进而产生热层暴的主要原因，而太阳耀斑等高能爆发活动，是地球电离层暴、太阳高能粒子等事件的源头。因此太阳耀斑、日冕物质抛射、太阳风、行星际磁场等是空间环境扰动源必须监测的内容。为了将扰动预报的时间提前，也需要对太阳大气活动的先兆现象进行监测，如太阳活动区、冕洞等的位置、结构和演化等。5

上述太阳大气活动的可见光、射电波段监测主要在地面进行。天基遥感监测主要集中在远紫外、极紫外、X射线波段，为避免地球大气杂散光影响，也安排天基太阳日冕的可见光监测。现场监测主要针对太阳抛射的各种带电粒子、太阳风等离子体，以及行星际磁场等的监测。5

2 、空间环境状态及其变化监测

空间环境这里主要指人类活动最多的空间区域环境，它包括磁层、电离层和中高层大气。而深空环境的保障在我国目前还难以考虑。地球空问环境从监测对象分，包括：带电粒子、等离子体、中性粒子和电磁场。适宜以现场监测为主，遥感监测为辅。

带电粒子主要监测磁层和辐射带的捕获粒子，也监测来自太阳和宇宙的粒子。种类包括电子、质子和重离子成分，能量从eV到GeV，要求多方向监测。等离子体监测主要包括电子和离子的密度和温度等。中性粒子主要进行中高层大气的中性粒子密度、成分和风场的监测。电磁场的监测以磁场、电场监测为主，电磁波监测为辅。

遥感和路径监测主要是对中高层大气、电离层进行监测。包括大气温度、密度、成分、风场、气辉、高层闪电、电子密度总量、电子密度剖面等。5

3、空间环境对人类活动影响的监测

空间环境对人类活动的影响范围较广。目前我国比较关注的是影响航天器和航天员安全的环境效应、影响通信导航定位等的电离层效应等。

以航天器、航天员安全为核心的空间环境效应主要包括辐射剂量效应、航天器表面及深层充放电效应、各种原因诱发的舱内瞬态电磁脉冲干扰效应、器件的单粒子效应、空间原子氧的剥蚀效应、航天器气体污染效应、空间碎片的碰撞效应和沙蚀效应等。

以影响通信、导航定位等的电离层效应，包括电离层的闪烁、法拉第旋转、信号相位和幅度漂移、信号失锁。以保障服务为目的的天基空间环境监测，不同于以科学研究为目的的空间物理探测，最主要区别是空间环境监测需要连续性和长期稳定性。地面气象的连续稳定监测已得到广泛认可，天基空间环境监测也需要保持连续性和长期稳定性。5

发展现状20世纪60年代，空间活动刚刚起步，人类对空间环境的严酷性认识不足，对空间特殊环境及其效应不了解，航天器在轨故障率很高。随着空间活动的不断深入，人们逐步认识到空间环境是导致航天器在轨故障、早期失效的重要原因，并斥巨资建立了许多大型空间模拟器和动力学环境设备，同时对电子、质子、原子氧、紫外、电离层等离子体、微流星和空间碎片、污染等特殊环境及其效应开展了广泛的研究，以满足不同轨道航天器长寿命、高可靠的需求。随着空间环境及其效应研究日益受到重视，航天器在轨故障显著减少。5

美国、欧洲等航天技术发达的国家都建立了完善的航天器空间环境工程研究体系，特别是建立了空间环境监测卫星体系，监测空间环境并发布监测、预警报告。收集的空间环境数据不但作为空间天气预报、警报的输入条件，也促进了空间环境模型的完善，有力地保障了在轨航天器的安全，最大限度地发挥航天系统的效能。

目前，专门的空间环境业务卫星应该说还不存在。对空间环境的监测主要是通过专门的空间环境研究卫星和在通用业务卫星上搭载空间环境监测设备两种方式实现的。许多空间环境研究卫星在实现科学目标的同时，形成了一定的业务能力，在常规的空间天气业务中起着重要的作用。空间环境的探测范围最初集中在地球附近轨道空间，随着人类探索太空空间范围的扩大，探测范围已逐渐扩大到日地行星际空间、日球空间，乃至太阳系之外。但就目前情况来说，空间环境探测还主要集中在日地空间。对空间环境的探测大致可以分为太阳/太阳风、地球磁层、热层/电离层几个区域。5

科学卫星有明确的研究目的，但许多卫星为了实现科学目标而设计的科学探测载荷的探测结果同样可以满足空间环境建模、空间天气预报等业务需求。最为典型的就是美国研制发射的用于研究太阳天体系统的形成及演化过程的ACE（Advanced Composition Explorer）卫星，以及欧盟与美国联合研制发射的用于研究太阳内部结构、日冕及太阳风起源的SOHO（Solar and HemisphericObservatory）卫星。ACE卫星的实时太阳风与行星际磁场观测数据，以及SOHO卫星的太阳X射线、紫外成像、太阳日冕成像与太阳磁场观测数据是日常空间天气预报、警报的重要数据。最近发射的Solar—B和STEREO（Solar Terrestrial Relations Observatory），能分别对太阳磁场三维结构和日冕物质抛射三维结构进行监测，具有非常重要的业务应用前景。许多空间环境探测卫星在开展空间环境过程研究和物理机制研究的同时，积累了大量长期观测数据，在空间环境经验模式的建立过程中发挥了重大作用。

由于空间环境覆盖面广，各区域相互作用过程复杂，仅靠专门的空间环境卫星很难完全满足专业研究和业务需求。因此，在其他业务卫星上进行搭载探测试验也是空间环境探测的重要手段。美国通过环境卫星GOES（Geostationary Operational Environmental Satellite）和POES（Polar orbiting Operational EnvironmentalSatellite ） 、军事气象卫星DMSP （ DefenseMeteorological Satellite Program）、全球导航定位GPS卫星等各种系列卫星开展空间环境搭载探测，积累了大量不同轨道高度的高能粒子、等离子体和大气探测数据，为空间环境模型的建立与改进提供了重要数据基础。其中，GOES卫星上搭载的空间环境监测系统（SEM）能够对太阳X射线，近地空间的高能电子、高能质子及电磁环境进行监测，并将数据实时传送至美国空间天气预报中心（Space Weather Prediction Center,SWPC），直接用于空间天气业务预报。5

通过专门的空间环境科学卫星和搭载卫星两种方式，目前已有的业务监测手段主要是通过ACE，SOHO卫星和DMSP，GOES，POES，GPS等卫星系列来实施的。监测对象包括太阳成像、太阳辐射通量、磁场和太阳爆发活动，太阳风等离子体、行星际，磁层粒子和磁场，极光成像等。基本覆盖空间环境主要业务范围，满足空间环境业务探测要素的基本需求。

近年来，随着新计划的实施，有些新的业务能力还将逐步形成。例如，新发射的COSMIC系列卫星和STEREO卫星将具备对电离层和太阳日冕活动监测的能力。欧洲的MetOp计划将增强极区空间环境探测能力，提升POSE卫星产品的数据刷新率。NPOESS（NationalPolar-orbiting Operational Environmental SatelliteSystem）将替代POES系列和DMSP系列卫星，提供大大优于POES卫星的空间环境监测数据。新一代的GOES卫星将携带太阳极紫外探测仪，带动电离层、热层大气模式的扰动预测能力的提升，从而更好地服务于卫星轨道衰变预测。同时，由于卫星寿命问题和计划的不连续性，有些业务监测也会中断或失去，最典型的就是随着ACE卫星监测能力的丧失，空间天气业务将受到很大的影响。没有该卫星的探测数据，大量模式缺乏输入数据，预报中心的许多预报、警报能力将丧失。而目前除中国的夸父计划外，还没有其他替代ACE卫星的计划。5

未来发展趋势高能带电粒子和高层大气对航天器的安全危害最为严峻，所以未来几年内应将空间环境监测重点放在高能带电粒子辐射探测与高层大气环境监测，另外辅助探测等离子体环境、空间碎片和磁场等。

1 带电粒子探测

带电粒子辅射环境是航天器设计、航天员安金最为关心的环境。轨道空间的带电粒子具有区域、方向和能谱分布的特点，并随空间环境扰动变化剧烈。空间粒子辐射的影响与飞行器的构形结构、姿态、器件材料的质量等级、可靠性设计等密切相关。5

2 轨道大气探测

高层大气在太阳耀斑、地磁暴期间，被高能辐射和带电粒子加热，大气密度会有几倍至几十倍的增加，使航天器轨道下降很快。高层大气的主要成分为原子氧，其强烈的活跃性能，对航天器表面材料、光学镜头、太阳电池均具有一定的剥蚀和污染效应。高层大气探测对航天器的轨道和姿态控制具有意耍的意义，同时对光学仪器和太阳电池的效率下降分析有一定的参考价值。5

3 等离子体探测

监测轨道空间的等离子体中的电子、离子密度和翻度的空间分布和时间分布。研究电离层等离子体对太阳活动、磁暴、亚暴等空间天气现象的响应特性。电离层中的电子密度和温度是重要的电离层参数，它可导致电磁信号的吸收、闪烁、延迟和法拉第旋转等。5

4 空间碎片探测

以微小空间碎片和微流星体探测为主，实测轨道空间的微小颗粒的数量和撞击强度。特别监测可能的“阵雨”型空间碎片和微流星体，评估空间碎片撞击风险，确认微小空间碎片的密度分布。

5 空间磁场探测

空间磁场也是空间环境重要的物理参数之一，空间磁场直接控制等离子体粒子的运动特性。同时，空间等离子体变化产生的感应磁场为人们研究、监测和预报空间环境变化提供了有用的信息。空间磁场的变化反映出空间环境显著的变化特征。探测航天器经过区域的磁场参数为空间环境研究提供探测数据。5

国内发展目前载人航天、月球探测、气象卫星、资源卫星等许多正在研制的航天型号均安排了空间环境探测，夸父计划等专业探测卫星正在论证，在未来5年内将发射多颗航天器开展空间环境探测。空间环境探测在不同 空间位置的布局、探测内容的丰富、探测时间的持续稳定，使空间环境探测有条件进入全面应用阶段。6

国际化的双星计划、夸父计划，以及气象卫星的空间环境探测使我国的空间环境探测走向国际舞台，面对国际竞争和合作，探测器的设计思路、采用的技术手段都有较大的变化，我国的空间环境探测技术正在经 历一次新的飞跃。6

我国空间环境探测的特色是研制队伍年轻、稳定，我国的航天器发展迅速，搭载机会相对较多，随着探测 技术的积累和发展、空间环境应用的深入，中国空间环境探测必将进入一个良性的发展阶段。我国的空间环境探测发展前景十分广阔。6