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11月1日 地球空间探测 吴季
主讲人简介
吴季，中科院空间中心研究员，北京航空航天大学邮电专业本科毕业，后考上本校研究生，毕业后继续攻读博士学位，然后考入丹麦技术大学攻读博士后，现任空间中心副主任。
内容简介
电离层以外的空间，我们称它为地球空间。我想，要想观测地球空间，首先我们要对地球空间进行了解，要了解它的整个的结构，哪些是我们最需要观测的空间区域，另外我们就要对地球空间要采用两种探测技术，一种就是要在空间进行布局，把卫星放到需要探测的空间区域去，另外，就是要在地面进行相应的观测，通过空间和地面联合观测，能够反映我们地球空间的特性，另外我们还要使用最先进的探测技术，包括计算机技术，以及先进的遥感技术，对地球空间进行探测，只有这样才能更完整地了解地球空间。我想，今天简要跟大家介绍一下地球空间是什么，地球空间的探测方法以及几个比较重要的地球空间探测计划，我想人类对地球的认识过程总是渐进的，人类对地球空间真正的认识，只是从1957年发射第一颗人造卫星才刚刚开始，在此后的45年中，地球大气层外的世界，诸如等离子体，内外辐射带等逐渐被发现，但是未知的东西仍然很多，因此，空间探测成为地球空间和航天技术紧密结合的现代科学技术领域，实际上我们在探测地球空间的同时，还在探测行星际空间和正在准备向太阳系以外的一个空间发射卫星，探测技术，也从就地的探测向遥感成像探测在发展，相信随着时间的推移，人类终将彻底认识自身生存的世界和外部的世界，并征服它，从而向更为广阔的未知的空间领域扩展。
全文
今天我想给大家介绍一下，地球空间的探测，地球空间说起来，大家也都（不陌生），这几个字很熟悉，但是什么叫地球空间，我想先做一些解释，大家知道了什么叫地球空间，可能更能理解怎么去探测它，这个探测有些什么方法，那么最后，我想再给大家介绍一两个国际上，和国内的空间探测的计划。
那么地球空间应该说是，更为广泛定义的人类生存的空间，那么它主要是包括太阳、行星际当中，整个太阳系当中，和地球相关的这么一个空间范围，那么待会儿我就要讲到，和地球相关的空间范围都有些什么东西，有什么结构，那我们知道在远古的时期，人类曾经对地球做过很多奇妙的幻想，说大气层以外，到底有些什么东西，想像大气层外面是非常美妙的空间，最开始，进一步的用科学的办法来探测大气层以外到底有些什么东西，确确实实是从上个世纪初，也就是1900年开始的，那么1900年，意大利的科学家马可尼曾经用无线电探测过大气层以外的电离层，在电离层以外，到底有什么，这个是确确实实是最近的时间，也就是1957年人类发射了第一颗人造地球卫星以后，我们才知道电离层以外有些什么东西，那么电离层以外的空间，我们就称它为地球空间。
那么这里，大家可以看到，在最低的高度上，左面的坐标是高度，那么它是以公里定义的，那么左面坐标上的高度可以看到100公里，200公里，300公里，最高到400公里，那么实际上我们现在生活的大气层，是在20公里以下，是非常贴近地球的，那么也就是说地球（被）一个很薄的一个大气 包围着，那么在20公里以上，大气还剩多少，只剩了5％，也就是说绝大部分大气都在20公里以下，那么我们通常所说的地球空间，往往是从二三十公里再往上，那么这个空间，虽然它只有5％的大气，但是非常复杂，因为大气受到阳光的照射，会发生电离，电离以后大气的原子就变得带电了，因为它的电子和它的原子就分开了，分开了就变成原子，带正电的原子，那么对氢气来讲，就是说有质子和电子，那么大家可以看到再往上，我们就有电离层，右边这条曲线这是一个电离层的曲线，可以看到在60公里到80公里有一个高峰，再往上90到110公里也有一个高峰，再往上还有两个高峰就是F1层和F2层，那么这个区间就是我们通常所说的电离层，但实际上电离层，它虽然有个峰，但在这个高度上，实际上大气基本上都是处在中性和电离两种状态，那么越往上实际上电离的成分越多，电离大气的比例越多，中性大气越少，再往上，到了一千公里以上，我们就称为它是热层，这时候基本上是完全由电离大气来组成，因为大气电离了以后，它变成了带电的粒子，那么就有电子和质子，那么地球又是一个具有磁性的星球，那么它就像一个磁场一样，两个像一个永久磁铁一样，那么你们可以从这个图上看到，左面这个半圆是地球，右面这两条线是代表了两条地球磁场的磁力线，那么在地球磁场磁力线的作用下，一个自由的电子它不可能做非常自由的运动，它要受到约束，受到约束以后，在某一个区间里，这个约束就使它（被）限制在一个范围之内，它就跑不出去了，这个我们叫地磁场的捕获，捕获以后在这个空间里面就会存在很多电子在运动，那么就形成了辐射带。
这是一个全球的一个示意，那么电子在全球地磁场的约束下，某一个区域就会形成一些高峰，那么这里可以看到，内侧的内辐射带，是由质子组成的，能量比较高，那么外侧还有一个外辐射带，它主要是电子组成的，所以可以看到，我们离开地球稍稍远一点以后，它就变成了一个充满了等离子体，而且这些等离子体又和地球磁场相互作用，那么变成了有辐射带存在的一个地球空间，从这里也可以看到，这是地磁场的一个耦极模型，蓝色的区域就是内辐射带，红色的区域就是外辐射带，可以看到在（离）地球不远的地方，我们有两个充满了高能电子和高能质子的一个辐射带，这个辐射带应该说是非常不好的，特别是对卫星来说，卫星在辐射带里运行，可能会受到高能的电子和质子的轰击，那么卫星可能会失效。
我们还退到这张图，大家可以看到辐射带是在赤道面的方向最强，那么在极区的两个方向上，南极和北极，就会出现磁力线非常密集的地方，那么这些密集的地方就会引入很多高能的粒子从宇宙线，或者从太阳风当中沉降下来，降到两极，南极和北极，在南极和北极沉降粒子非常多的时候，那么就会形成，和大气发生相互作用，就会形成极光，这就是通常我们看到的极光，极光为什么发生在南极和北极区域，就是因为地球的磁场磁力线非常密，在这个地方没法屏蔽高能粒子的下降，所以，高能的粒子在这方面和大气相互作用，就会形成极光，我们也可以看到极光有时候飘动的，那么就因为地磁场也在变化，另外大气也在变化，那么由（于）大气和高能电场的作用，就会发生飘动的极光，颜色也会发生变化。
那么我们再往远走一点，从地球通过辐射带，再往远走一点，就可以看到我们地球的空间要和太阳相互作用，那这个太阳，不是太阳直接（和地球空间）相互作用，而是太阳所发出来的粒子，那么我们就叫太阳风，这个太阳风，这也是在人类1957年以后发射卫星才发现的，这个太阳风，说它是一种风，实际上它是一种粒子的流动，这个粒子的数量是相当大的，我们可以想象，在每一个立方厘米里面，要有几十个太阳风的粒子，那么也就是说在宇宙空间当中并不是真空的，它有相当多的粒子在流动，太阳风通常要以每秒500公里左右的速度，从太阳向四面八方发散，那么当太阳风遇到地球磁场以后，就会和地球磁场相互作用，因为太阳风的粒子也是带电的，所以它就会在地球磁场作用下，向地球磁场的两极方向流动，刚才已经讲了，会发生极光，另外，在向阳这一侧会形成一个磁层顶，这里大家可以看到，向着太阳这个方向，会有一个弓一样的，这样一个弦激波，或者弓激波，那么这个区域叫磁层顶，一直转过来，这两边后面会拖一个很长的磁尾，这是由于太阳风吹动粒子，那么和地球磁场相互作用，产生磁尾，这个磁尾会拖多长，这个磁尾可能会拖一百到两百个地球半径，那么在向阳面这一侧的 磁层顶到地球（的距离），大概有10个地球半径左右，所以这就是通常我们所说的地球空间的区域。
在这个地球空间里确实不是很安宁，形成这么一个区域会发生很多变化，进一步分析地球空间，可以看到这是三维的一个图，可看到在地球空间当中，我们是一个非对称的结构，在后面我们有很长的磁尾，前面有磁层顶，那么这两边有集其区，看到这个方向是集其区粒子从这个方向像漏斗一样沉降到两极，有北极和南极，在这个磁尾方面，还有中性片的等离子体，往往还会发生一些扰动，会引起环电流向磁层顶这个方向流动，那么还有场向电流等等，这一切都组成了地球空间。
但是这个地球空间并不是一个很安宁的地球空间，这张图画得很漂亮，但是它并不是一个固定的一个结构，它往往是在变动的，这是俄罗斯的科学家在很早以前做的一个地球磁场模拟的实验，可以看到在模拟的实验当中，他成功模拟了两极集其区磁层顶以及磁尾，那么刚才讲到地球空间形成了以后，它是受太阳风和地球磁场双重作用而形成的，那么它的特性就非常复杂，它是非对称的，另外它是动态的，另外它主要受行星际条件的影响来控制，所谓行星际的条件就是太阳风在来自太阳的时候，它往往是，方向是不同的，也就是说太阳上发生的变化，能不能影响到地球，我们很难说，因为太阳系是很大的空间区域，那么太阳发生一些爆发，它喷出的一些高速的物质它的方向有时候是不一样的，并不是完全对称的向四面八方喷射，所以有时候太阳上的活动，可以影响到地球，有时候太阳上的活动又影响不了地球，所以我们通常说对地球空间的影响，是来自于行星际的条件，也就是说和地球空间相接触的那一部分太阳风的条件，一旦太阳风引起了行星际的扰动，和地球相接触的行星际的空间发生变化，地球磁场马上就会发生变化，这是一个特性。
另外一个特性，地球空间它会相互联系，也就是说，磁层当中的任何一部分发生变化，整个磁层都会发生变化，也就是它牵一发而动全局，另外磁层内部也不是很安宁，我们刚才讲了有辐射带，在等离子体层里有辐射带，而且辐射带周围还有一些场向变流，还有环电流，在磁层内部还通常发生一些哑爆，也就是小的磁场的爆发，那么这个磁场爆发的频（率）一天可以发生十几次，所以就像一个中等的地震的能量释放出来，磁层内部也不是很安宁，另外磁层还会发生日变化，我们知道地球磁场的耦极子，它磁级的方向和地球的自转轴是不同的，有11度的偏角，所以在地球自转的时候，耦极子实际上也在摆动，它是有日变化的，任何变化（都）会引起能量的传输，另外刚才提到，粒子的变化会对航天器引起危害，所以地球磁场是一个非对称的，而且是一个动态的变化。
下面我给大家讲一讲，我们怎么来探测地球空间，首先介绍一下我们探测一些什么，主要是两类东西，一类是物质流动的同量，那么它包括中性气体，带电粒子的分布，以及它们的流量，这些带电粒子在地球空间当中不是稳定的，不是停留在那儿，通常是在变化的，那么要测量它的流量，测量它能量的能谱，最小可以到几个电子伏特，最大的可以到几千兆，甚至几十亿电子伏特，所以这里面能量的流动我们要探测的第一个目标，而且要探测这些能量流动的空间分布。
第二个需要测量的就是它的电场和磁场，因为电场和磁场是驱动这些物质能量流动的根源，所以要测量它电场和磁场的分布和变化。
第三类就是要探测这两类物理量随时间变化的规律，因为我们刚才讲到它是动态的，那么对一个动态的地球空间我们必须要了解，是哪些机制驱动它的变化，它的变化的时间规律是什么，所以这是我们要做地球空间探测的最主要的几个方向。
要做地球空间探测，我们首先要用到人造卫星，今天我们讲的是探测的方法，所以我们不讲具体的探测技术，也就是人造卫星，大家都知道人造卫星在地球空间进行探测的时候，它要在一个轨道上运行，它要达不到这个轨道的运行速度，它就会掉下来，所以它必须要达到第一宇宙速度，人造卫星在运行的时候可以依据不同的规律，走几种轨道，首先一种就是圆轨