近地空間

近地空間是指從地心起 1.015～6.6 個地球半徑範圍內的空間區域即從地球海平面起約100~36000km 的球殼狀區域。

也有學者定義近地空間為地球周圍大氣層以外的空間。

對於航天活動，近地空間一般可以定義為航天器繞地球作軌道運動的空間範圍。

近地空間環境主要包括中高層大氣（平流層、中間層、和低熱層）、電離層磁層

1.中高層大氣主要由中性氣體組成

2.電離層則是部份電離的等離子體

3.磁層空間則充斥着稀薄的等離子體

不同的圈層中發生的物理過程有着不同的特點，如中高層大氣中，大氣重力波的耗散或破碎過程及其對背景大氣的作用程度，重力波、潮汐波、和行星尺度波的相互作用對於中高層大氣動量和能量的影響。地球磁層中磁場重聯以及波和粒子的相互作用過程；各圈層間的動力耦合過程及其效應等。對有關的物理問題的研究不僅有着重要的物理意義，同時對開展積極而安全、可靠和高效的航空航天活動也起着重要的指導作用。 ^[2] 

近地空間環境由多種環境要素組成，其中對航天活動存在較大影響的環境要素主要包括：

太陽電磁輻射、

地球中性大氣、

地球電離層、

地球磁場、

空間帶電粒子輻射、

空間碎片、

微流星等。 ^[3] 

攝動環境是影響航天器飛行軌道和姿態的最主要因素，就近地空間而言主要包括高層大氣、太陽光壓、第三體攝動和地球非球形攝動。

近地空間內的大氣環境和真空環境是對立統一的，只是研究的側重點不同。空間大氣的研究是建立在大氣成分、温度、壓力及密度等參數基礎上的，隨着高度的增加，這幾個參數都發生很大變化。當某一範圍內氣體壓強（或密度）小於某一特定數值時就產生了所謂的“真空”。航天器運行的軌道越高，其真空度也越高。因此可以將空間大氣環境理解為真空環境中的殘存氣體。

光子具有能量和動量。根據動量定理，太陽射線輻照在航天器表面時，對航天器產生作力，這就是太陽光壓，它能夠嚴重影響航天器的姿態和自旋速率。決定太陽光壓效應的因素有：

a. 航天器結構表面的光學特性；

b. 航天器相對於太陽的位置（地球公轉位置）；

c. 太陽輻照壓力中心相對於航天器質心的位置和航天器受照面積；

d. 太陽光子流強度、頻譜及方向。 ^[4] 

所有物體之間都存在萬有引力，故航天器運行過程中必然也受到第三體引力的影響。近地空間內可對航天器構成影響的第三體只有太陽和月球。航天器背對太陽時冷黑環境占主導地位，可忽略月球反照對航天器温度的影響。

地球形狀並不規則：赤道半徑約6378.137 km，極半徑約 6356.752 km；南北半球也不對稱，北極略突出，南極略扁平。這種不規則性導致了地球質量不均勻，進而影響重力加速度。加速度的不規則將對航天器軌道產生攝動作用，其中地球扁率是主要攝動項。

地震衞星星軌道區域存在着來自空間的多種非震電磁場擾動,其特性和來源也較為複雜，他們不僅與太陽活動和行星際擾動有關,而且與地球空間的磁暴,亞暴和粒子暴密切相關，幸運的是這些波動只是在高緯地區比較強烈,在人類活動頻繁的中低緯地區相對較弱。磁場波動主要包括電磁離子迴旋波,哨聲,等離子體層嘶聲,合聲和地面發射VLF波動,閃電,電力系統諧頻輻射。其中電磁離子迴旋波、等離子體層嘶聲和合聲都在平靜時期可以觀測到,但在磁暴、亞暴期間會顯著增強。因此,在分析地震星探測數據時,必須密切注視空間環境方面的變化信息,將空間環境擾動信息與地震上傳的擾動信息區分開來。 ^[5] 

近地空間某個環境可能是其他幾個環境共同作用的結果，比如地球輻射帶是地球磁場和高能粒子共同作用的結果；同樣，某一種環境可對航天器產生多種效應，比如太陽電磁輻射既可以產生熱輻射效應，也能產生光壓攝動效應。所以近地空間環境對航天器影響是各種環境因素綜合作用的結果。各種環境因素對航天器的作用也有大小主次之分，這取決於航天器的飛行參數：比如 2000 km 以上的大氣對航天器的影響可忽略不計；在飛行高度大於5000 km 時，航天器受日月攝動的影響會大於地球非球形攝動的影響。 近地空間環境條件與人類的生存和發展有着密切的關係。隨着社會的進步和航天事業的發展，研究近地空間環境及其對航天器和航天員的綜合效應顯得十分必要。

全球40%的航天飛行器和100%的洲際彈道導彈與潛射彈道導彈主要運行於這一空間。在上世紀末以來的幾場高技術局部戰爭中，近地空間在軍事領域中的地位作用已日益顯現，併成為各主要軍事強國紛紛爭奪的一個“新高地”。

（1）中高層大氣中大氣重力波的耗散或破碎過程

（2）地球磁層中的磁場重聯過程及其效應

（3）地球磁層中的波和粒子間的相互作用及其帶電粒子加速

（4）近地空間環境中各圈層間的動力學耦合。

近地空間飛行環境分為航天器本體環境和航天器近地空間環境。

是指航天器本體某些系統處於工作時或在外層空間各因素作用下產生的環境，主要包括推力器環境、電磁環境、振動衝擊環境、材料逸出物引起的分子污染等。

是指宇宙空間存在的且在近地空間範圍內產生時空分佈特性的物質、輻射和力場等環境，就其形成而言，主要是由太陽、地球、其他宇宙天體等在近地空間區域內綜合作用的結果，很難截然劃分。本文對近地空間環境及其對航天器可能產生的效應作綜合分析。

近地空間資源可以包括下列幾方面：

在離地面02~50公里之間,大氣中的臭氧的混合比(臭氧含量/空氣總量)最大,稱之為臭氧層。儘管臭氧在大氣中的含量很少,但它對於人類和生物的影響卻非常重要。其原因在於臭氧具有強烈的吸收太陽輻射中的強紫外線的能力。如果沒有臭氧層的存在或其含量減少,太陽的紫外輻射就會過量地到達地面。這不僅會使細胞核分裂(細胞增生)受到阻止,危及低級生物的生命,而且還會大量毀壞去氧核糖核酸,使人的皮膚灼傷,誘發皮膚癌。

電離層是高空大氣層中能反射無線電波的電離介質區域,其範圍從離地面50~60公里起一直延伸到幾千公里高度的空間。根據電離層中電子濃度(單位體積內含有的電子數目)隨高度變化的幾個極大值區,習慣上把電離層分成D層、E層和F層(F;、F:層)以及外電離區。電離層各層對不同頻率的無線電波傳播有着不同的影響。電離層對短波除了有吸收作用(主要是E層底部和D層區域)外,還有折射和反射。

相對於地球表面比較高遠的位置，如前所述,近地空間的下限高度約在40~50公里,上限高度約在500公里。雖然這一高度區間比中、高軌道的航天器所達到的高度來得低,但已超過了航空器的升限(近代飛機最大升限為36公里,探空氣球的升限一般為30一40公里)。近地空間相對於地球表面比較高遠的位置,相對於稠密大氣層或航空器所能達到的高度來講,視場可以更為廣闊,能觀察到的地球表面的範圍更大,相對於外層空間或航天器(不包括近地軌道)所能達到的高度來講,能見度比較高,可以觀察到更為清晰的地面景象。

低密度是近地空間環境的顯著特徵。眾所周知,大氣密度隨高度增加按指數規律迅速減小。近地空間中的大氣密度僅為海平面大氣密度的1-0“一10“`2,而在其下面的大氣層中兒乎集中了整個大氣質量90~95%。

高空飛艇就是在近地空間持續巡航飛行的一種半自主浮空器。美國將近地空間視為空軍新提出的空間作戰概念的一個組成部分,認為近地空間是能夠提高情報蒐集能力的潛在高空區域,打算將其作戰範圍擴展到這一尚未控制的區域,並以高高空飛艇用作通信中繼和監視平台,對空軍作戰予以支持,同時對美國NMD(NationalMissileDeefnse)—國家導彈防禦系統予以補充。比較有潛力的高高空飛艇開發項目包括美空軍的近地空間機動飛行器(NSMv),即v形飛艇以及約翰斯·霍普金斯大學正在設計的一種可充氣、一次性使用高高空飛艇和美國導彈防禦局(MDA)提出的“高空飛艇(HAA)”。特別值得一提的是,雖然以上飛艇名稱各異,但實際應用中其飛行高度都在近地空間範圍之內,因此都可以界定為高高空飛艇。高高空飛艇在近地空間這一特殊領域潛在的軍事價值使人們對高高空飛艇的運用方式和能力有了新的認識,這必將在全球掀起一場高高空飛艇在軍事應用中的革命。

中國載人航天工程總設計師周建平表示，正在按計劃實施我國載人空間站工程，2020年前後我國將建成和運營近地載人空間站。

根據計劃，我國將於2016年前研製併發射空間實驗室，突破和掌握航天員中期駐留等空間站關鍵技術，開展一定規模的空間應用；2020年前後，研製併發射核心艙和實驗艙，在軌組裝載人空間站，突破和掌握近地空間站組合體的建造和運營技術、近地空間長期載人飛行技術，並開展較大規模的空間應用。 ^[6] 

實驗室定位：

實驗室將致力於近地空間環境前沿科學問題的研究，揭示近地空間環境各圈層之間的耦合過程以及物質與能量的輸運機制，提高國內地基光學和空間有效載荷的研製水平，建成國際上重要的近地空間環境研究中心和高端人才培養基地，滿足國家在近地空間環境保障、空間探測等方面的戰略需求。

人才隊伍

實驗室共有固定人員43人，其中研究人員30人、技術支撐人員11人、行政管理人員2人；正高級職稱人員26名、副高級職稱人員10名；中國科學院院士2名、傑青8名（不重複計算）。擁有1個國家基金委“地球空間環境及其對太陽活動的響應”創新羣體，1個教育部創新團隊。

科研條件等基礎

實驗室面積約佔7000平方米，其中儀器用房面積約4000平方米（不含蒙城國家野外觀測台站所佔面積）。擁有4個實驗觀測支撐平台：

（1）蒙城國家野外觀測台站：擔負觀測中高空大氣、太陽活動、地震、地磁、地電等現象的任務，是中國科學院日地觀測網絡的重要基地。

（2）臨近空間探測平台：建成了“Mie-Rayleigh-Na熒光雙波長激光雷達系統”和“車載多普勒測風激光雷達系統”，正發展可探測至70公里的多普勒測風激光雷達系統和鈉層測温測風激光雷達。

（3）空間有效載荷研製平台：擁有千級潔淨室、電子學實驗平台、離子束標定系統、真空室、測試和存儲真空箱等，可用於有效載荷的設計、組裝和測試。

（4）數據、模式與計算平台：建有總數據容量為80T的大容量數據存儲系統，已實現對本實驗室的激光雷達觀測數據、以及國外的STEREO、SOHO等衞星數據的自動收集和整理。建有計算集羣，浮點運算能力為1.36Tflops，可用於各種近地空間環境模式的運行。 ^[7]