空間環境探測

空間探測是人類進入太空以後開拓知識、認識宇宙的最前沿和最具創新意義的主要手段，而空間環境探測則是進行得最早、也是與人類活動最為密切的空間探測。空間環境探測的目的在於人們去認識宇宙的本質，測繪宇宙的結構、監測宇宙的變化、開發和利用宇宙。科學家的任務就是要通過各種探測技術，獲取空間環境的各種相關數據，分析認識這些數據，並試圖建立一個自然的、真實運轉的、相互緊密聯繫的外部世界圖像。 ^[2] 

在人類進人太空之前，對於茫茫宇宙瞭解得很少，也不可能理解空間發生的許多事情，正是空間探測發現了地球輻射帶和磁層，探測了太陽風的特性，可以説空間物理學是在大量空間探測的基礎上誕生的。科學的歷史清楚地告訴我們，新的探測方法和新穎的探測技術在科學發展的歷史中總是帶來知識的進步。空間環境科學也不例外，隨着航天技術的發展，不但將人和探測器送上了月球，還將探測器送到離地球越來越遠的星球，讓人們揭開了火星，木星等神秘星球的面紗，使神話、推測變成了科學；通過紅外、紫外、可見光和高能電磁輻射波段進行的觀測，在人們面前展現了一幅嶄新的、壯觀的圖像。空間科學，包括空間環境科學正是在所有空間探測成果的基礎上建立和發展起來的。 ^[2] 

在人類的太空活動中，空間環境探測不斷向航天技術提出新的要求，是航天技術發展的動力之一。另一方面空間環境探測也為航天活動提供了安全保障。空間環境探測的重要成果是對廣闊的空間環境進行了“測繪”，發現了可能影響航天器安全的環境參數，並對它的分佈和變化特徵進行了測量，預測了各種軌道上航天器將會遇到的空間環境因素。在空間探測的基礎上研究了空間環境對航天器可能造成的影響，在航天器發生故障時，空間環境的探測結果可用來推斷故障的原因是來自空間環境的干擾，還是技術設計上的原因，進而提出減輕或消除不良影響的措施。空間環境是不平靜的，航天器在空間還會遇到太陽活動引發的各種“風暴”，這種比平時更加惡劣的環境對航天器和航天員構成嚴重威脅，監測這種“風暴”並預報它的到來，也是空間環境探測對航天安全可靠保障的重要部分。 ^[2] 

空間環境探測的內容應包括空間磁場，電場，重力場、電磁輻射、高能帶電粒子，空間等離子體、地球高層大氣、微流星體等自然空間環境，以及人為造成的空間環境，如空間碎片、航天器誘發的各種污染、核爆炸造成的空間輻射等等。本書主要涉及與航天活動關係較密切、影響較大的空間環境的探測，主要有空間磁場、電磁輻射、高能帶電粒子、空間等離子體、高層大氣、微流星體和空間碎片等。 ^[2] 

一般説來，空間環境的探測有三條途徑可供選擇，這三條途徑通常叫做“直接探測”、“間接探測”和“遙感探測”。

直接探測直接探測是指把探測器（傳感器）放在所要測量的某種特性的介質中，所放置的位置緊靠它的周圍環境。已經為衞星、火箭和氣球裝置發展了許多這類直接探測器，如測量地球輻射帶粒子的通量，是直接把高能帶電粒子探測器安裝在穿越地球輻射帶的衞星上進行直接探測。大多數這類探測器都是由實驗室的儀器發展而來的，如測量帶電粒子的各種探測器大多是曾在地面實驗室使用過的核探測器發展而來的。直接探測方法通常是特有的，它只對所要測量的參量響應，但是，由於它們的存在可能擾動被測量的介質，因此，需要儘量減少這種影響，並儘可能對所測量的參量進行必要的修正。這種方法由於需要一個飛行器將探測器放置到指定的地點，因而所需費用昂貴。 ^[3] 

間接探測是指把探測器放置於所要測量的介質中，它並不使用帶有探測器的儀器裝置（雖然它可以攜帶遙測裝置），介質的特性是通過在遠處觀測傳感器的運動導出來的，正如我們所瞭解的高層大氣的密度測量也可以通過間接途徑來測量。例如，通過發射氣球衞星，在地面觀測其運動可以導出衞星軌道處的大氣密度。這種方法對於間接探測器自身來説可能是相當簡單的和相對便宜的，但它也需要一個飛行器。 ^[3] 

遙感是指探測器沒有被放置在所要測量的介質中，但是，介質的特性是由穿越介質的、或者由介質發射的波的觀測導出來的，監測的波可以是電磁波或者聲波。如果波是從一個發射機傳輸到介質的（如電離層測高儀、非相干散射雷達），我們稱之為主動遙感。如果波是來自自然過程而呈現在介質中（例如極光），那麼我們稱之為被動遙感。許多種技術都可以作為遙感的手段，因此，要歸納它們的優缺點是困難的。就其時間的連續性和經濟性來説它們是有優勢的，裝置既不要大的消耗，也不用回收。但在某些遠距離技術方面存在解釋的困難，因為波通過一段距離傳遞後，影響波的性能可能是整個路徑而不僅僅是一個特殊點。“遙感”這個術語在衞星一地面觀測（陸地地勢、雲的覆蓋等）中也常常使用，這些是真正的遙感的例子，但是，它們明顯地不包括在我們的範圍。 ^[3] 

地基探測是將探測設備安放在地球表面對空間環境進行的探測，例如太陽望遠鏡對太陽的觀測，電離層測高儀對電離層的探測。它具有以下特點：

(1)長期定點連續探測。由於地基探測的設備安置在地面上，便於長期連續進行探測，有的探測記錄，如在磁場探測、太陽活動觀測，已經有數百年的歷史，對於研究空間環境的變化規律是非常有用的數據。

(2)隨地球運動過程可對一定的時間和空間範圍進行探測。地面台站雖然是固定的，但台站隨地球運動的過程中可以獲得一定的時空變化規律，例如可以獲得空間環境參數的日變化、年變化等，它們既是隨時間的變化，也反映相對太陽的不同位置的變化。 ^[4] 

(3)可以按需要組網。與地面不同位置對應的空間環境參數很不相同，因此根據探測目的在全球適當位置佈置台站網，即可獲得空間環境參數在地面上的分佈，這是衞星探測所無法實現的。組網的方式也有多種，可根據探測目的來組織，例如沿緯圈按一定的經度間隔布站，保證總有一個觀測站可以看到太陽，實現對太陽的連續監測；可以沿經圈布站，研究空間環境擾動沿子午線的分佈，或研究在極區和赤道之間的傳播；也可以在較小的區域內佈置較密的台站，研究小尺度的分佈等。 ^[4] 

(4)易維護、成本低。地面設備維護非常方便，特別是一些需要經常標定的設備，例如記錄地磁場的磁變儀，需要經常進行基線值和靈敏度的測定，在空間是很難進行的，在地面上則沒有任何困難。台站建設雖然需要一定的經費，但比起發射一個航天器來所需經費要少得多，而且台站的運行維護費用相對也較低。

(5)遙感方式受大氣的影響。地面探測設備通過遙感方式觀測空間環境時，光學或高能電磁輻射觀測不可避免地要受大氣的影響，嚴重的可使觀測無法進行，例如大氣吸收使紫外、x射線波段無法進行觀測，大氣中的雲層使可見光也無法觀測，即使正常的觀測也大多需要進行大氣修正。無線電波觀測則要受空間等離子體的影響。 ^[4] 

探空火箭是近地空間探測的重要手段之一，它能把探測儀器帶到一百至幾千公里的高空進行測量。為了減少稠密大氣的阻力以達到最大高度，探空火箭一般都是垂直向上發射的，在到達最高點附近時，通過一個短短的弧線運動轉為向下的自由降落。因而每一枚探空火箭都能得到一個垂直的從上到下的剖面。為了延長探測時間，獲得更多的探測數據，往往將儀器艙與火箭體分離，儀器艙依靠降落傘緩慢降落並回收。探空火箭雖然飛行時間比較短，一般只有幾十分鐘，但它比較機動，能夠根據研究課題的要求隨時發射，而且成本低，技術上也較容易實現，因此它和衞星成為兩種互相補充的探測手段。第一張太陽紫外輻射照片就是用火箭將紫外相機帶到高空拍攝的。 ^[4] 

天基探測是指以衞星和其他軌道上的航天器為載體，在空間進行的現場測量，或者用遙感的方法進行的成像觀測。天基探測是空間環境探測的主要手段，也是空間環境數據的主要來源。

目前空間環境科學研究的區域主要是日地空間，探測器的軌道以圍繞地球的衞星軌道為多。根據開普勒定律，衞星軌道是橢圓形的（或圓形的），軌道的大小、形狀、方位，軌道面的取向，衞星的位置，由6個軌道根數確定，即長半徑、偏心率、升交點赤經、傾角、近點角和過近地點時刻。根據探測目的選擇探測器的軌道：中性大氣和電離層的測量大多采用大傾角、低高度、圓或近圓軌道，大傾角可以獲得全球各地的數據，圓軌道可以獲得空間環境參數的球面分佈。高能帶電粒子和熱等離子體的分佈範圍比較寬，需要對幾百公里到幾萬公里的高度區域進行探測，選擇近地點高度數百公里，遠地點高度數萬公里的大橢圓軌道即可滿足需求，它通過帶電粒子最強的輻射帶核心區域，到達熱等離子體最活躍的地球同步軌道區域，而且可以獲得整個高度剖面的數據。監測太陽活動要求能連續觀測太陽，有幾種軌道可供選擇，一是軌道平面與太陽方向垂直的太陽同步軌道，二是地球同步軌道，三是日地之間的第一秤動點，即日地引力平衡點。秤動點是十分優越的監測太陽風的位置，因為它處於磁層以外，可以直接測量到未被磁層擾動的原始太陽風，而且在太陽風中始終位於地球的“上風”處，太陽風擾動先期到達秤動點，然後經過約2小時才到達地球附近，誘發近地空間擾動。從而給空間環境擾動警報提供近2小時的提前量。 ^[4] 

天基探測具有如下特點：

(1)直接探測。天基探測是將探測器安置在空間，現場對空間環境進行探測，只要探測器設計正確，無須其他理論工作的支持，由遙測參數立即可以通過探測器的特性得到該點的物理量，是完全客觀的。

(2)受航天技術制約，費用昂貴，研製週期長。天基探測的成敗和優劣與航天技術有密切的關係，航天運載能力、測控能力、數據傳輸能力決定了探測器能否進入所需軌道、能否攜帶性能優越的有效載荷、能否將探測的大量數據傳輸回來。天基探測費用昂貴，美國的小型探測衞星費用也在數千萬美元以上，研製週期也需數年。 ^[4] 

(3)高空間分辨率。由於探測器在空間直接進行探測，探測的空間分辨率決定於探測器的採樣率與飛行速度，在低軌道上如果每秒鐘採樣一次，數據的空間間隔大約是8km，對於許多空間環境參數來説已經夠用了，隨着航天技術的發展，數據儲存和傳輸的能力大幅度提高，採樣率還可以進一步提高，相應的空間分辨率也隨之得到提高。 ^[4] 

(4)對太陽的遙感成像不受大氣的干擾。限制地基太陽觀測的最主要因素是地球大氣，而天基探測則完全擺脱了大氣的干擾，不僅提高了可見光觀測的清晰度，而且可以把觀測的波段擴展到紅外、紫外和x射線。由於天基觀測沒有大氣散射的干擾，為日冕觀測提供了較好的條件。

(5)大視野成像觀測。從軌道上觀測近地空間時，觀測距離遠，觀測視野大，有可能把整個地球納入視野之中，從整體上觀測空間環境參數的空間分佈和變化。例如可以觀測整個半球的極光，測定其強度分佈，從整體上記錄其形態的變化。再加上沒有大氣的干擾，可以在紅外、紫外和X射線波段內進行觀測。 ^[4] 

空間環境探測的主要內容包括：空間環境擾動源的監測、空間環境狀態及其變化監測、空間環境對人類活動的影響監測3個方面。

1、空間環境擾動源的監測

空間環境擾動的主要源頭是太陽大氣活動。太陽日冕物質拋射、高速太陽風、凍結在太陽風中的行星際磁場、行星際激波等是誘發地球磁層暴，進而產生熱層暴的主要原因，而太陽耀斑等高能爆發活動，是地球電離層暴、太陽高能粒子等事件的源頭。因此太陽耀斑、日冕物質拋射、太陽風、行星際磁場等是空間環境擾動源必須監測的內容。為了將擾動預報的時間提前，也需要對太陽大氣活動的先兆現象進行監測，如太陽活動區、冕洞等的位置、結構和演化等。 ^[5] 

上述太陽大氣活動的可見光、射電波段監測主要在地面進行。天基遙感監測主要集中在遠紫外、極紫外、X射線波段，為避免地球大氣雜散光影響，也安排天基太陽日冕的可見光監測。現場監測主要針對太陽拋射的各種帶電粒子、太陽風等離子體，以及行星際磁場等的監測。 ^[5] 

2、空間環境狀態及其變化監測

空間環境這裏主要指人類活動最多的空間區域環境，它包括磁層、電離層和中高層大氣。而深空環境的保障在我國目前還難以考慮。地球空間環境從監測對象分，包括：帶電粒子、等離子體、中性粒子和電磁場。適宜以現場監測為主，遙感監測為輔。

帶電粒子主要監測磁層和輻射帶的捕獲粒子，也監測來自太陽和宇宙的粒子。種類包括電子、質子和重離子成分，能量從eV到GeV，要求多方向監測。等離子體監測主要包括電子和離子的密度和温度等。中性粒子主要進行中高層大氣的中性粒子密度、成分和風場的監測。電磁場的監測以磁場、電場監測為主，電磁波監測為輔。

遙感和路徑監測主要是對中高層大氣、電離層進行監測。包括大氣温度、密度、成分、風場、氣輝、高層閃電、電子密度總量、電子密度剖面等。 ^[5] 

3、空間環境對人類活動影響的監測

空間環境對人類活動的影響範圍較廣。目前我國比較關注的是影響航天器和航天員安全的環境效應、影響通信導航定位等的電離層效應等。

以航天器、航天員安全為核心的空間環境效應主要包括輻射劑量效應、航天器表面及深層充放電效應、各種原因誘發的艙內瞬態電磁脈衝干擾效應、器件的單粒子效應、空間原子氧的剝蝕效應、航天器氣體污染效應、空間碎片的碰撞效應和沙蝕效應等。

以影響通信、導航定位等的電離層效應，包括電離層的閃爍、法拉第旋轉、信號相位和幅度漂移、信號失鎖。以保障服務為目的的天基空間環境監測，不同於以科學研究為目的的空間物理探測，最主要區別是空間環境監測需要連續性和長期穩定性。地面氣象的連續穩定監測已得到廣泛認可，天基空間環境監測也需要保持連續性和長期穩定性。 ^[5] 

20世紀60年代，空間活動剛剛起步，人類對空間環境的嚴酷性認識不足，對空間特殊環境及其效應不瞭解，航天器在軌故障率很高。隨着空間活動的不斷深入，人們逐步認識到空間環境是導致航天器在軌故障、早期失效的重要原因，並斥巨資建立了許多大型空間模擬器和動力學環境設備，同時對電子、質子、原子氧、紫外、電離層等離子體、微流星和空間碎片、污染等特殊環境及其效應開展了廣泛的研究，以滿足不同軌道航天器長壽命、高可靠的需求。隨着空間環境及其效應研究日益受到重視，航天器在軌故障顯著減少。 ^[5] 

美國、歐洲等航天技術發達的國家都建立了完善的航天器空間環境工程研究體系，特別是建立了空間環境監測衞星體系，監測空間環境併發布監測、預警報告。收集的空間環境數據不但作為空間天氣預報、警報的輸入條件，也促進了空間環境模型的完善，有力地保障了在軌航天器的安全，最大限度地發揮航天系統的效能。

目前，專門的空間環境業務衞星應該説還不存在。對空間環境的監測主要是通過專門的空間環境研究衞星和在通用業務衞星上搭載空間環境監測設備兩種方式實現的。許多空間環境研究衞星在實現科學目標的同時，形成了一定的業務能力，在常規的空間天氣業務中起着重要的作用。空間環境的探測範圍最初集中在地球附近軌道空間，隨着人類探索太空空間範圍的擴大，探測範圍已逐漸擴大到日地行星際空間、日球空間，乃至太陽系之外。但就目前情況來説，空間環境探測還主要集中在日地空間。對空間環境的探測大致可以分為太陽/太陽風、地球磁層、熱層/電離層幾個區域。 ^[5] 

科學衞星有明確的研究目的，但許多衞星為了實現科學目標而設計的科學探測載荷的探測結果同樣可以滿足空間環境建模、空間天氣預報等業務需求。最為典型的就是美國研製發射的用於研究太陽天體系統的形成及演化過程的ACE（Advanced Composition Explorer）衞星，以及歐盟與美國聯合研製發射的用於研究太陽內部結構、日冕及太陽風起源的SOHO（Solar and HemisphericObservatory）衞星。ACE衞星的實時太陽風與行星際磁場觀測數據，以及SOHO衞星的太陽X射線、紫外成像、太陽日冕成像與太陽磁場觀測數據是日常空間天氣預報、警報的重要數據。最近發射的Solar—B和STEREO（Solar Terrestrial Relations Observatory），能分別對太陽磁場三維結構和日冕物質拋射三維結構進行監測，具有非常重要的業務應用前景。許多空間環境探測衞星在開展空間環境過程研究和物理機制研究的同時，積累了大量長期觀測數據，在空間環境經驗模式的建立過程中發揮了重大作用。

由於空間環境覆蓋面廣，各區域相互作用過程複雜，僅靠專門的空間環境衞星很難完全滿足專業研究和業務需求。因此，在其他業務衞星上進行搭載探測試驗也是空間環境探測的重要手段。美國通過環境衞星GOES（Geostationary Operational Environmental Satellite）和POES（Polar orbiting Operational Environmental Satellite）、軍事氣象衞星DMSP （Defense Meteorological Satellite Program）、全球導航定位GPS衞星等各種系列衞星開展空間環境搭載探測，積累了大量不同軌道高度的高能粒子、等離子體和大氣探測數據，為空間環境模型的建立與改進提供了重要數據基礎。其中，GOES衞星上搭載的空間環境監測系統（SEM）能夠對太陽X射線，近地空間的高能電子、高能質子及電磁環境進行監測，並將數據實時傳送至美國空間天氣預報中心（Space Weather Prediction Center, SWPC），直接用於空間天氣業務預報。 ^[5] 

通過專門的空間環境科學衞星和搭載衞星兩種方式，目前已有的業務監測手段主要是通過ACE，SOHO衞星和DMSP，GOES，POES，GPS等衞星系列來實施的。監測對象包括太陽成像、太陽輻射通量、磁場和太陽爆發活動，太陽風等離子體、行星際，磁層粒子和磁場，極光成像等。基本覆蓋空間環境主要業務範圍，滿足空間環境業務探測要素的基本需求。

近年來，隨着新計劃的實施，有些新的業務能力還將逐步形成。例如，新發射的COSMIC系列衞星和STEREO衞星將具備對電離層和太陽日冕活動監測的能力。歐洲的MetOp計劃將增強極區空間環境探測能力，提升POSE衞星產品的數據刷新率。NPOESS（National Polar-orbiting Operational Environmental Satellite System）將替代POES系列和DMSP系列衞星，提供大大優於POES衞星的空間環境監測數據。新一代的GOES衞星將攜帶太陽極紫外探測儀，帶動電離層、熱層大氣模式的擾動預測能力的提升，從而更好地服務於衞星軌道衰變預測。同時，由於衞星壽命問題和計劃的不連續性，有些業務監測也會中斷或失去，最典型的就是隨着ACE衞星監測能力的喪失，空間天氣業務將受到很大的影響。沒有該衞星的探測數據，大量模式缺乏輸入數據，預報中心的許多預報、警報能力將喪失。而目前除中國的夸父計劃外，還沒有其他替代ACE衞星的計劃。 ^[5] 

高能帶電粒子和高層大氣對航天器的安全危害最為嚴峻，所以未來幾年內應將空間環境監測重點放在高能帶電粒子輻射探測與高層大氣環境監測，另外輔助探測等離子體環境、空間碎片和磁場等。

1. 帶電粒子探測

帶電粒子輔射環境是航天器設計、航天員安金最為關心的環境。軌道空間的帶電粒子具有區域、方向和能譜分佈的特點，並隨空間環境擾動變化劇烈。空間粒子輻射的影響與飛行器的構形結構、姿態、器件材料的質量等級、可靠性設計等密切相關。 ^[5] 

2. 軌道大氣探測

高層大氣在太陽耀斑、地磁暴期間，被高能輻射和帶電粒子加熱，大氣密度會有幾倍至幾十倍的增加，使航天器軌道下降很快。高層大氣的主要成分為原子氧，其強烈的活躍性能，對航天器表面材料、光學鏡頭、太陽電池均具有一定的剝蝕和污染效應。高層大氣探測對航天器的軌道和姿態控制具有意耍的意義，同時對光學儀器和太陽電池的效率下降分析有一定的參考價值。 ^[5] 

3. 等離子體探測

監測軌道空間的等離子體中的電子、離子密度和翻度的空間分佈和時間分佈。研究電離層等離子體對太陽活動、磁暴、亞暴等空間天氣現象的響應特性。電離層中的電子密度和温度是重要的電離層參數，它可導致電磁信號的吸收、閃爍、延遲和法拉第旋轉等。 ^[5] 

4. 空間碎片探測

以微小空間碎片和微流星體探測為主，實測軌道空間的微小顆粒的數量和撞擊強度。特別監測可能的“陣雨”型空間碎片和微流星體，評估空間碎片撞擊風險，確認微小空間碎片的密度分佈。

5. 空間磁場探測

空間磁場也是空間環境重要的物理參數之一，空間磁場直接控制等離子體粒子的運動特性。同時，空間等離子體變化產生的感應磁場為人們研究、監測和預報空間環境變化提供了有用的信息。空間磁場的變化反映出空間環境顯著的變化特徵。探測航天器經過區域的磁場參數為空間環境研究提供探測數據。 ^[5] 

目前載人航天、月球探測、氣象衞星、資源衞星等許多正在研製的航天型號均安排了空間環境探測，夸父計劃等專業探測衞星正在論證，在未來5年內將發射多顆航天器開展空間環境探測。空間環境探測在不同 空間位置的佈局、探測內容的豐富、探測時間的持續穩定，使空間環境探測有條件進入全面應用階段。 ^[6] 

國際化的雙星計劃、夸父計劃，以及氣象衞星的空間環境探測使我國的空間環境探測走向國際舞台，面對國際競爭和合作，探測器的設計思路、採用的技術手段都有較大的變化，我國的空間環境探測技術正在經 歷一次新的飛躍。 ^[6] 

我國空間環境探測的特色是研製隊伍年輕、穩定，我國的航天器發展迅速，搭載機會相對較多，隨着探測 技術的積累和發展、空間環境應用的深入，中國空間環境探測必將進入一個良性的發展階段。我國的空間環境探測發展前景十分廣闊。 ^[6]