空間環境與人類生活
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- 最后修訂：
- 2020-07-03 15:32:18
摘要：
目錄
【簡介】
隨著人類空間活動的日益頻繁，空間環境狀態和變化，即所謂的空間天氣，已成為當前十分重要的科學研究和空間應用領域。近年來，我國在空間科學和技術上均取得了令世人矚目的成就。空間物理子午鏈國家重大科學設施，地球空間雙星探測，嫦娥月球探測和已經正式立項的火星探測等項目，有力地推動了我國空間環境科學探測與研究的發展，對于提升我國空間環境監測、研究與預報能力，使我國從空間大國走向空間強國將發揮重要作用。
本次沙龍結合我國開展的地基和衛星探測項目和計劃，基于中科院地質地球所近年來進行的地球空間環境探測研究工作，介紹空間環境有關的探測技術、方法和取得的研究成果，并就我國空間環境的觀測研究進展，討論地球空間環境整體行為和不同圈層的耦合過程，探討空間環境變化與人類活動的相互影響。
【主持人致辭】
王謙身：我國唐代詩人白居易在長恨歌中就寫到“上窮碧落下黃泉”，為了找楊貴妃，上天入地也要去找，唐朝就考慮空間的問題了。現在，地球物理學就是研究上天入地的內容，對資源、災害和環境都要研究。今天我們請地質地球所寧百齊研究員作主旨報告，談談空間環境和人類生活的問題。下面請寧百齊研究員作報告。
【主旨報告】
寧百齊：空間環境與人類生活
首先謝謝大家，今天來了很多老科學家，我很榮幸有機會與大家交流。今天講的內容是“空間環境與人類生活”。我們研究所就有一個“地球與行星重點實驗室”專門做這方面的工作。我想從四個方面講起。
一、我們所處的空間環境
根據現有知識，宇宙就是最大的空間，它的范圍有340億光年的空間，光傳播的速度是30萬公里/秒。先講一下宇宙大爆炸的知識。大約在150億年前，宇宙所有的物質都高度密集在一點，有著極高的溫度，因而發生了巨大的爆炸。大爆炸以后，物質開始向外大膨脹，就形成了今天我們看到的宇宙。膨脹、爆炸，產生許多粒子、原子、氣體云塊、恒星星系，在演化過程中，又產生了人類。
我們所處的太陽系，有八大行星，地球是其中一個行星。太陽系只是宇宙的一個子空間，從天文角度說，它有一個光年的大小，從空間物理角度考慮，它有120個天文單位。地球與太陽的平均距離就是一個天文單位，一個天文單位約1億公里。
在日地空間，有太陽大氣、太陽風。在地球空間，有磁層、電離層和大氣層。日地空間不是真空的，它有粒子、電場、磁場和重力場，有重力波、行星波、潮汐波、阿爾芬波（磁流體動力波——一種等離子體內沿磁場方向傳播的波）和聲波，它還有熱輻射和光輻射。它們的能量源和物質源都是太陽提供的。
地球內部有地核、地幔和地殼。在地球的外核有對流并發電，產生地磁場。地幔排氣再演化，產生大氣層，有氧氣、氮氣等，也就是說，地球又為地球空間提供了物質源。
圖1. 磁層的形成過程
地球有磁場，但在太陽風（帶電粒子）的吹動下，地球磁場變成現在的樣子。太陽的輻射產生光化學作用，高層的電離層以及接近地面的大氣等，都受到了影響。中高層大氣位于地球上方30-100公里，這里空氣稀薄、開始電離、熱源和熱匯復雜。電離層位于地球上方60-1000公里，這里的空氣部分電離、有中性和帶電粒子共同作用、影響無線電波。磁層位于地球上方1000公里到幾十個地球半徑，這里的空氣完全電離、空間等離子體完全受磁場控制。
人類生活所處的環境就是在圍繞地球有引力場、重力場和磁場，有磁層、電離層輻射的空間環境。其中受地球引力作用控制的范圍，其半徑距地心約93萬公里，受地球磁層影響的范圍，其半徑距地心約6.5萬公里。正是由于地球表面的大氣層的包裹、地磁場的保護，才使得太陽風的帶電粒子的輻射被阻擋、被吸收，地球上的生命得以保護，才會有海洋、有植物、有豐富多彩的生活。
二、人類的空間活動
1. 人類空間活動——飛機
人類在唐朝以前就有上天的想法，但真正離開地面的飛行是在1903年懷特兄弟發明了飛機。到1914年開始第一次商業航班，2個乘客，佛羅里達。
2. 第一顆人造衛星
1957年10月4號，蘇聯發射了第一顆衛星Sputnik-1(58厘米,83公斤,3個月),在距地球表面幾百公里高的軌道上運行。人類開啟了太空時代
3. 對冥王星的衛星探測
新地平線飛船（2006年發射），2015年7月15號達到離冥王星12500公里高度。原來太陽系里是九大行星，后來冥王星不算在內，就形成了太陽系中有八大行星了。目前已經完成了人類對整個太陽系主要星體的衛星探測。
到目前為止，人類已經形成了非常完備的從太陽到地球臨近空間的衛星探測體系 ，幾乎所有地表以上的參量都可以用衛星探測。
2014年9月13日，美國國家航空航天局(NASA) 宣布1977年發射的“旅行者1號”探測器已經離開太陽系，正在飛向別的恒星。“旅行者1號”是首個沖出太陽系的人類制造的飛行器，截至2018年1月2日止，旅行者1號正處于離太陽211億公里的距離。
4.人類空間活動呈爆炸式發展
當前，有各種飛行器在空間運行，空間充滿了飛行器、衛星、退役產生的碎片。從下面的圖中可以看到，在1960年和2010年間，地球表面飛行物的比較，在2010年的地球空間充滿了太多的飛行物等。
圖2. 人類空間活動呈爆炸式發展
5. 人類向空間發展
1961年4月12日，前蘇聯宇航員加加林完成有史以來的首次太空飛行，使人類從太空，距地球幾百公里的高度觀察到了自己居住的地球。
1971年，前蘇聯發射了禮炮一號（天空實驗室號，和平號，國際空間站）空間站，人類可在空間站上居住。
2011年中國發射了天宮一號飛行器，并準備籌建（天宮二號，天宮三號）空間站。
1969年，美國阿波羅11號（阿波羅計劃5次成功登月）首次載人登上月球，月球距地球是38萬公里。
2004年，中國開始嫦娥系列計劃，2007年嫦娥一號發射升空。后來，相繼發射了二號、三號。現準備嫦娥四號，去月球的背面進行探測。
人類的下一個目標是美國獵戶座計劃，在2034年左右載人登火星。
6. 太空旅行
人類的太空旅行，不久就會實現。從下圖可以看到去各個目的地的時間。
圖3. 太空旅行
三、空間天氣對人類活動的影響
我們生活在地球上，所關心的天氣，就是地表2公里以下范圍內的天氣，如刮風、下雨、雷電、冷暖等等。隨著人類向空間的發展，向空間飛行或者空間旅行，就需要關心地表幾十公里以上的天氣，過去叫空間環境。我們處在太陽-地球的空間，太陽的變化，會影響人類的生活。在上世紀末，國際上把這一部分稱作空間天氣。
太陽上出現的耀斑和日冕物質的拋射等劇烈活動，給地球磁層，電離層和中高層大氣，衛星運行和安全，以及人類健康，帶來嚴重影響和危害，通訊也會受到損害。人們把這種由太陽活動引起的短時間尺度的變化，稱之為空間天氣（大于30公里）。
圖4. 地球地表的天氣范圍
萬物生長靠太陽，地球地表的天氣與太陽有關系，而空間天氣的變化也與太陽有關。太陽上有一種日冕物質拋射的現象，太陽把一團物質拋射出來，形成高速的太陽風，它拋射的能量是地球上原子彈威力的1600萬倍，一顆原子彈可以摧毀一座城市，足見威力。 而與太陽拋射的能量相比，差距太大了。
圖5. 太陽拋射物質的威力
太陽風是指太陽上每時每刻都有一些高能粒子吹向地球，而地球磁場把這些高能粒子阻擋住，使其偏轉或反射，使生活在地球上的人類免受高能粒子的影響。
太陽風的暴發，發生地球空間暴，會引起高能粒子暴，磁場擾動，形成磁暴，產生電離層暴和熱暴。太陽風吹向地球，使磁場偏轉，會在地球的南北極形成美麗的極光。圖中顯示的極光，有從地面看到的，有從距地球表面250公里的航天飛機上看到的。
圖6. 從地面和空間看極光
隨著科學的發展，目前已經發現的空間天氣對人類的影響如圖7所示。
圖7. 空間天氣影響的領域
等離子體輻射主要發生在磁層部分。這些高能粒子會引起飛行器的電場充電，線路短路，損傷儀器。
無線電波的傳播依賴于電離層，它們要么在電離層反射、要么穿過電離層、要么在電離層折射。電離層的變化就影響無線電波的傳播。人類需要通過各種模型的計算，對電離層傳播進行改正，保證無線電通訊不受影響，保證定位的精度。
圖8. 空間信息安全
四、空間環境探測與研究
這方面的內容較多。這里主要講我們研究所和我們實驗室的一些情況。
首先介紹日地空間的一些常識。在太陽表面的部分稱作太陽大氣，就是太陽物理。在太陽和地球之間，存在太陽風，又稱作行星際物理。在距地球附近，稱作地球空間。地球空間又有磁層，在距地球1000公里以上，處于等離子體輻射環境，與航天應用有關。在距地球60-1000公里之間，存在電離層，與空間信息應用有關，屬于電波傳播環境，在飛行物飛行期間，需要通訊、導航、定位等。在距地球30-100公里間，屬中高層大氣，又叫中性大氣環境，高空飛行物如導彈在這一層飛行。
圖9. 從空間物理到空間應用
目前主要的科學問題是日地空間的起源與演化，空間環境的產生與變化。在日地空間系統的耦合過程中，太陽起主導作用,地球起基本作用。太陽風影響磁層、電離層。而地球內部的巖石層的變化，如地震也會引起大氣活動，上傳至電離層，盡管影響很小，但在耦合中也有作用，即地球基本作用。太陽與地球的相互作用，災害性空間天氣就會產生和發展，如磁暴、電離層暴等。
空間環境的探測有直接探測和間接探測。我們有空間飛行器和衛星，可直接在空間中探測各種數據，把測量儀器放到衛星上，當衛星經過時，進行測量。另一種是間接測量，利用輻射的粒子，通過光學和紫外研究其攜帶的信息，把高空的狀態和參量提取出來。或者利用無線電波信號發射如雷達似的，通過電磁特性進行遙感，把空間狀態提取出來。再有就是通過地磁觀測，地面地磁觀測的主磁場是地球內部的，而空間的帶電粒子會影響到磁場的變化可以通過反演研究空間的一些參量。
圖10. 空間環境探測方法
地質地球所建立了空間環境探測平臺，有一個觀測臺鏈，在國內最北邊的漠河，最南邊的三亞，還在北極的黃河站和南極的中山站都建有臺站觀測，目前國內通過GPS衛星觀測的，已有34個觀測點，地質地球所建有數據控制中心。
圖11. 空間環境探測平臺
圖12. 實驗室研究內容和定位
下面介紹一下儀器。
1. 磁力儀
包括LEM-018三分量磁通門磁力儀、GM4三分量磁通門磁力儀、Mago1DI磁力儀、GSM90F Ovehause 磁力儀和LEMI-30感應磁力儀。在臺站上配備用于綜合觀測。
2. 全天空流星雷達
用于測量高空大氣風場，溫度，流星擴散，流星速度等。
3.電離層測高儀
通過垂直發射掃頻高頻脈沖波，當電波頻率等于電離層等離子體頻率時，信號發生反射。測量從電離層反射回波到達接收機的時間延遲，獲得各頻率點電離層虛高，即頻高圖。
4.VHF（甚高頻）電離層雷達
2009年在三亞站建立我國大陸首臺VHF電離層雷達，測量電離層不均勻結構。
5.GNSS（全球導航衛星系統）衛星信標接收機
利用接受GNSS衛星發射的雙頻信號，可探測地面與GPS衛星間電波路徑上的電離層電子濃度總含量TEC和電離層閃爍。
上述儀器在各觀測站都有配備，已經實現了自動觀測與網絡監控。在地質地球所設有運控與數據中心。
圖13. GNSS衛星信標接收機接受示意圖
海南電離層非相干散射雷達建設，是2015年國家基金委重大科學儀器項目，投資1.1億人民幣建設三亞相控陣非相干散射雷達，子午工程二期擬投資2億人民幣擴展建設為海南3站非相干散射雷達系統。
研制并建立大功率相控陣“三亞非相干散射雷達”（簡稱SYISR），將是國際上首臺進行低緯度電離層常規觀測的和東半球最重要的非相干散射雷達。用于“低緯大氣層-電離層-磁層耦合”重大科學問題研究，開拓新的學科領域，并服務于我國南方及南海地區的高頻通信、衛星通信與定位導航等。
國家空間環境觀測子午工程（子午工程一期）：在2008年，中國的空間環境監測網開始起步建設。建設沿東經120度子午線附近和北緯30度附近的空間環境地基監測鏈。由中科院牽頭，七部委參加，于2012年10月正式運行。
子午工程二期監測系統臺站布局和設備配置如圖14。
圖14. 子午工程二期監測系統
子午二期工程還要關注以下三個重點區域：
一鏈：從太陽表面、行星際到地球的多手段的各種觀測；
三網：地磁網、電離層網和中高層大氣網對我國的密集覆蓋；
四聚焦：對極區的高緯度地區，對我國漠河的北方，海南島的南方和青藏高原地區增加一些大型設備，做到精細探測。
空間環境觀測臺鏈的發展走過了很長的道路。從上世紀80年代，就開始建地磁臺鏈，2006年，地磁臺鏈與武漢的電離層觀測站進行整合，2011年，建起空間環境的綜合觀測，并正式運行。目前，正發展我們自主研制的觀測儀器。我們希望在2021年建成國際上的空間環境觀測臺鏈的觀測基地，服務于國家的科學和應用研究。
圖15. 地基空間環境觀測歷程與展望
我們實驗室最近的計劃中，有地磁衛星計劃，準備在2022年發射5顆小衛星。通過衛星磁測獲取高分辨磁場數據，與地震學、計算模擬等手段結合，研究地球內部與空間的關聯（空間物理與空間拓展）。
中國首次火星探測項目，火星探測任務已正式立項，2020年發射首個火星探測器，我們也要積極參與。現正自主研制火星磁強計，在2020年火星探測時，利用火星巡視器建立火星物理觀測站，探測火星表面磁場等，研究火星空間與火星內部結構。
在首顆衛星發射升空三十多年后，中國于2003年啟動了首個純科學太空任務——雙星計劃，主要研究地球空間環境。2015年以來，中國在地球軌道上投放了若干新的科學衛星，包括2015年的“悟空”號，2016年的“墨子”號，實踐十號衛星，中國二氧化碳觀測衛星，2017年的“慧眼”，以及2018年中國地震電磁監測實驗衛星。將來要到木星探測。在2025年，我國將對彗星探測，在2030年將對木星探測，我們都將積極參與。
最后，我對這次報告做一個總結：
1. 空間環境隨著人類空間活動需要變得也越來越重要，由此產生了一門新的空間天氣學。
2. 空間環境探測將向更大的范圍，更高精度多參量發展，空間環境研究前沿是空間系統各層次物質和能量耦合、傳輸及相互作用。
3. 多點、多手段、數字化、自動化、網絡化和立體化是地基空間環境探測的發展方向，空間直接探測與地面遙感探測互為補充，缺一不可，共同促進空間物理科學研究。
4. 我國空間環境探測研究發展面臨著大好機會，抓住機遇將會有力推動研究所空間物理學、地磁學和行星物理等學科發展。
【討論和交流】
王謙身：下面開始討論，有誰先發言。
許榮華：我是學地球化學專業的，與空間物理有如隔山隔行。下面請教幾個問題：
1. 在地球上，風形成的原因是空氣流動產生壓力差造成的。這里所說的太陽風或太陽輻射，也是太陽上存在壓力差造成的嗎？
2.為了觀測空間環境變化，建立了許多工作站，主要沿子午線建的。而在南半球，咱們的觀測站少，對咱們的觀測有影響嗎？有在南半球建站的想法嗎？
3.地球化學的儀器設備在國際上比較先進，水平高，但國內自己造的較少。你們臺站上的儀器設備，國內自己造的較多，而且獲得了較好的觀測數據。你們的儀器有那些是超過國際水平的？
寧百齊： 1.太陽輻射、太陽風與熱核反應有關。太陽上完全是帶電的等離子體，我個人認為，應該是有壓差。太陽風是指高能帶電粒子，而輻射是一種高能量。
2.關于觀測臺站的布局，受我國面積所限，只能在最北的漠河、最南的三亞建臺站。現正考慮建國際子午圈線。由我們國家牽頭，把澳大利亞、東南亞、俄羅斯、美國、巴西等國家都包括進來，稱作國際子午圈線。
3.關于觀測儀器，我們國家自己也做了一些，如地震局和物探局都研制了一些儀器。我們單位也做了一些。但噪聲較高，還是國外的先進一些。
林世昌: 我是電子所的，我們單位研究的是微觀的東西，如電子發射等。你們地質地球物理所研究的都是大玩意，如地球、地震等，今天學到不少的東西。你們研究的是空間的范圍，在高空。我們電子所研究的是30千米以下的范圍。最近，電子所、遙感所和光電院聯合成立中科院的空天信息研究院，這也是很振奮的一件事情。
寧百齊：叫中科院的創新研究院吧？
林世昌：對，叫創新研究院。我們單位也做過一些與地質地球物理所有關的項目，如做過探地儀器、在三亞臺站的雷達研究中，我們所也參加了一部分。你們研究的空間環境，從太陽一直到地上30多公里，這個范圍所發生的事情，究竟與人類活動有什么關系，請給我們講講。
寧百齊：這個問題，我不一定回答的好。人類的活動基本都在地面的大氣層里。現在的發展是向更高更遠的空間，比如飛船、航天等等。如果將來的戰爭發生在空間的話，就必須對空間環境有足夠的了解。因為一旦太陽有活動，就會影響空間飛行器的正常運行，導彈不能正確入軌、定位出偏差。
沈萍：我是地震局的。不久前，地震局發射了一顆“張衡一號”衛星，用于研究空間磁場和地震的關系。地面的有關實驗室緊密配合。我想問一下，你們的實驗室還做過一些什么研究?
寧百齊：我們主要研究的是日地空間環境的整個的耦合，相互作用，太陽、能量和物質的耦合。地球內部的變化，如磁場的變化，會向地球空間傳播，我們也觀測到了這些來自地球內部的微小變化，觀測到了地震的波動。這些來自地球內部的微小信號的來源很復雜，目前還不能用它來預報地震。地震局經過幾年的努力，把“張衡一號”送上太空，但它的觀測儀器，大部分是探測空間環境的，如磁場、粒子活動等，從中找到有關地震的信息。
丁雁生： 我是力學所的，是爆炸力學專業的，真是天外有天，今天聽了報告，學到了許多東西。我今天想了解一下，空間環境與力學有些什么關系。空間環境有變化會影響飛行器的飛行，探測空間上去的運載工具與力學有關等等。在空間環境的研究中，我們力學所能幫著干點什么？
寧百齊：我覺得任何東西都與力有關，小到原子核有核力，大到能感覺到的引力。力的作用很多。太陽風、粒子活動都受到力的控制。
國連杰：今天聽了空間環境的報告，了解到許多知識。我想提出幾點看法。空間環境、地質、地球物理等研究的對象太復雜了，有很多不可預測的東西，很多內容都研究不清楚，而空間環境的研究進展如此之快，我有所擔心，是否已對局部有所控制。地磁場最近的一次轉變是在78萬年前，是如何測定的。還有就是經常提到耦合，所有都是耦合的嗎？空間的規律都遵循這個規律嗎？
寧百齊：對于空間環境能否控制，因地球發出的能量太小，很難控制空間環境。人類知道有些空間災害會影響空間飛行器，為了避免強輻射，就把飛行器的厚度增加，等等一系列措施。關于磁場反轉，是由古地磁巖石倒轉測定的。關于耦合，最早研究太陽，是孤立的研究太陽，后來發現地球上的一些變化，也會影響空間的一些變化，盡管影響很小。所以很多事物的變化都不是孤立的，都在互相影響。關于空間規律是否符合物理規律？可以說都符合物理規律，都能解釋空間現象，如地磁運動、機械運動、相對論，最近提的較多的暗物質、黑洞的預測等等。
王謙身：暗物質是怎么一回事？
寧百齊：關于暗物質的大概意思是說，天體運行應該有一個固定規律，如太陽、行星的運動。但通過觀測，它們不按這一規律運行，于是就認為必定有一種物質在操縱。還有就是宇宙空間，我們能觀測到的，有太陽、行星和各種粒子，但這些只占宇宙空間的15%左右，我們看不到的百分之八十幾，也應該是物質，它們就是暗物質。
湯克云：我談一下對暗物質的了解。我們知道有銀河系，銀河系外的一些行星圍繞銀河系按軌道運轉，這是可以觀測到的，但是，觀測到的與用牛頓定律計算出來的結果對不上，就認為有一種暗物質在起作用。還有就是用光學的辦法看不到的宇宙中的物質，叫暗物質。而暗能量，在天文觀測中發現空間在膨脹，行星之間的距離在變大，有一種排斥力在起作用，這種排斥力就稱作暗能量。
孔祥儒：首先感謝寧百齊研究員的報告，提升了我們對空間的認識和了解。今天聽了空間環境的報告，感覺很振奮，感覺我們在這方面的科學研究發展真快。現在的子午鏈所涉及的范圍實際就是地球上的某個段，還沒有形成地球的鏈。將來通過國際合作，形成地球的臺鏈，涉及的范圍就很大了。你在報告中提到的測高儀，能控制多遠，可能需要加密，才能提高解釋的精度？對于空間環境的觀測，尤其是大的地磁事件，用天文的手段在很短暫時間可觀測，只能觀測到瞬間的變化。而地磁的變化可以保持較長的時間，用地磁的手段可以觀測的時間長、更全面，進而預報更大的地磁事件。因為大的地磁暴會影響到地面的電網。加拿大的電網就曾受到地磁暴的影響，使電網運轉癱瘓。我們國家的西北建立了許多大的超高壓電網，如何提前預報地磁暴的發生，我們國家也提到日程上來了。空間變化對地面的影響很大，這次發射的“張衡一號”衛星，配置了電磁儀進行觀測，專門觀測空間的變化，用“張衡一號”衛星觀測的數據預報地震，難度很大。今年是汶川大地震十周年，在有關的會上，沒有再提地震預報，而是提地震預測和地震預警，因為地震預報太難了。再次感謝寧百齊研究員的報告。
湯克云：聽了今天的報告，我感到我們的觀測儀器、觀測技術和國際合作方面，都取得了巨大成績。記得我在2000年給氣象局的人員做這方面的科普講座時，講的物理方面的內容，與現在的內容基本一致。但儀器和觀測能力方面，發展太大了，尤其跟國際合作，使研究空間環境方面的工作，有了更大的發展。為你們取得的成績高興。
王謙身：今天的活動，到此結束。再一次感謝在座的老同志。
【結論和建議】
1. 把觀測臺鏈擴大，更大程度的觀測和了解空間的各種信息。
地質地球所建立了空間環境探測平臺，有一個觀測臺鏈，在國內最北邊的漠河，往南有北京和武漢，最南邊有三亞等觀測站，另外在北極的黃河站和南極的中山站都建有臺站觀測。目前國內通過GPS衛星觀測的，已有34個觀測點，地質地球所建有數據控制中心。
現正考慮建國際子午圈線。由我們國家牽頭，把澳大利亞、東南亞、俄羅斯、美國、巴西等國家都包括進來，稱作國際子午圈線。
2.加密儀器觀測，提高解釋的精度。
目前在國內設有觀測站和許多觀測點，今后根據需要，可能還要增加一些觀測點，配備有關儀器，提高解釋的精度。
