“行星地球”视角下的空间物理学,天文学论文.docx

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1、“行星地球视角下的空间物理学,天文学论文摘 要： 空间物理学日趋成熟，既丰富了人类对地球和行星空间的认识，也引申出更具挑战性的问题。一些牵涉行星演化问题的解决倚赖与其他学科的穿插探寻求索，要求研究者从行星地球的视角出发，把地球视为一个从地核到磁层的多圈层耦合系统。作为系统外层环节的空间环境，华而不实的问题可通过比拟行星研究的思路找到突破口。基于学科穿插的比拟行星空间物理研究将是将来空间物理学的一个重要发展方向。阐述比拟行星空间物理研究的思路和必要性，梳理研究现在状况，并瞻望研究前景。 关 键 词： 空间物理； 磁层； 电离层； 行星； 比拟行星学 1空间物理研究的挑战和机遇 空间物理学主要研究

2、空间环境中的物理经过，其发展得益于人们对于空间中各种现象的好奇心所驱动的探寻求索行为。纵观数千年来世界各地文明流传下来的史料，围绕极光、气辉、慧尾、黑子等具有视觉冲击力的空间现象，观测记录数量愈益丰富，认知思辨水平逐步提高，衍生出多种具有地域特色的人与自然文化体系，并以神话、传讲、礼仪、哲学等形式传承至今。尤其是封建时代的中华文明，长期推崇 天人合一 的理念，使得包括空间现象在内的各种 天象 成为影响文明进程的一个重要因素。例如，极光和慧尾等现象往往与民族兴衰、王朝更迭、邦交征伐等重大历史事件联络起来1.由于观测和记录行为具有政治严肃性，很多较为显着的现象被具体记录下来，成为了解空间环境长期变

3、化的重要参考资料。例如，公元 1645-1715 年欧洲和亚洲的极光观测记录同时大幅减少，成为孟德尔极小期存在的重要佐证2. 空间物理学的构成与发展依靠观测技术的进步。尽管地面观测已持续数千年，人们始终无法知晓空间中物理经过的触发、发展和变化机理。直到近期 100 多年，磁强计、电离层测高仪等地面观测设备的持续运行，探空气球、火箭和大功率雷达技术的不断进步，使得人们终于告别裸眼观测的时代，本质上提高了认知空间的能力。20 世纪 50 年代末期，人造卫星及其搭载的场和粒子探测仪器实现了空间实地探测，促成了空间物理研究的飞跃，使其能够从地球物理、大气物理、天文等学科的穿插状态中发展起来，构成一门独

4、立的学科3.时至今日，空间物理研究者已经把握了地球空间环境中各个区域的电磁场和粒子的平均特征及其最主要的变化规律，并在一定程度上理解了背后的主要物理经过； 对行星际空间的安静和扰动状态也有了全局性的了解，并具备了初步的预报能力； 对太阳系其他行星的空间环境有了基本认识，并能够归纳出其与地球空间环境的主要异同之处。假如把理论体系架构的基本完善作为学科成熟的标志，那么能够以为空间物理学正处在一个接近成熟的阶段。 当下空间物理发展阶段具有与其他学科同阶段的类似特征。外表上看，经过数十年的观测数据和相关知识的积累，论文产出量加速增长，研究似乎变得越来越容易。实际上是研究难度持续增加， 瓶颈效应 越来越

5、明显。能够从空间探测和研究行为两方面来理解这一特征。 从空间探测来看，主要具体表现出在从基于单卫星计划的 普查 式研究过渡到基于多卫星计划的针对性研究。20 世纪 60 年代前后属于早期探寻求索阶段，地球空间的广袤区域中充满了未知，单颗卫星在运行经过中通常能够产生多个重要发现，甚至包括意外发现。借助单颗卫星探测的方式方法基本实现了空间大尺度电磁场和等离子体状态的普查，确定了各区域的标志性特征，并勾画出其基本变化规律。同时也了解到，空间中的场和粒子存在各种尺度的时间和空间变化，而单卫星探测并不能对其进行区分，于是不得不引入各种假设来简化问题。为了突破这一瓶颈，必须采用多卫星同时探测的方式。欧洲太

6、空局在 2000 年发射了Cluster 卫星簇，4 颗卫星联合观测将以亚暴为代表的全球尺度问题和以磁场重联为代表的微小尺度问题的研究向前推进了一大步。中国在 2003-2004 年施行了 双星计划 ,并与 Cluster 联合构成 6 星联测。美国航空航天局 2007 年发射包含 5 颗卫星的 THE-MIS 计划，针对亚暴问题进行研究； 2021 发射包含 4颗卫星的 MMS 计划对磁场重联问题进行研究。不难看出，这些多卫星探测计划通常设计用来解决较为详细的重要科学问题。 从研究行为来看，主要具体表现出在对研究者的能力要求越来越高。研究能力受限于研究者的知识宽度、理论架构、逻辑思辨力、思维

7、习惯、数据敏感度、工作经历体验等方面。早期探寻求索时期的工作方式注重于在解读数据的基础上建立理论，其难点在于太阳风-磁层-电离层-中高层大气耦合链中单个因果关系的猜想与辨别； 而现前阶段科学发现的产出方式则更倾向于从理论出发，锁定证实或证伪的关键环节，然后有目的地寻找对应的观测数据，其难点不仅包括因果关系的猜想与辨别，更在于对现有理论的深入认识和对观测数据的精准理解。这些特征对研究者和研究者共同体的时间和精神构成挑战，其最优选择必然是根据自个的研究兴趣，清楚认识研究特长，选择最有可能在较短时间内获得重大进展的研究方向。 进一步讲，空间物理现前阶段的本质特征能够概括为投入产出比的持续下降。就空间

8、探测而言，卫星平台和载荷的造价越来越高昂，却旨在解决少数关键科学问题； 就研究行为而言，研究者的入门专业训练内容逐步增加，研究思路和研究方式方法的创新难度加大，而做出重要科学发现的几率却不如以前。当然，这仅仅仅是从学科发展共性的角度来阐述。从科学发展的角度来讲则很不同，关键科学问题的解决正是量变到质变的转折点，例如，磁场重联的解决不仅有助于理解整个太阳系乃至宇宙中磁化等离子体中的能量转化方式，还可能帮助缓解将来能源危机。持续增加对传统研究的投入始终是主流之策。 研究人员以为，当下一些重要的空间物理学前沿问题必须通过突破学科壁垒来获得进展。传统的空间物理研究着眼于空间环境中所发生的经过，但一些重

9、要经过的驱动因素或控制因从来自于空间环境之外。例如，空间环境参数长期变化问题。众所周知，地磁场与太阳风互相作用构成磁层，同时地磁场也是控制磁层和电离层等离子体运动的基本物理场之一。当代地磁观测显示，自 1840 年以来地磁场偶极矩持续衰减了约 10%4; 对电离层近百年的观测数据分析发现，偶极矩的衰减引起了电离层的变化5.而古地磁学研究进一步表示清楚，地磁发电机至少已存在了 42 亿年6,在这里期间偶极矩存在各种时间尺度和各种幅度的涨落7.尤为引人瞩目的是，地磁极性倒转期间，偶极矩强度可下降 1 个量级或更甚，且平均持续时间近万年。这种地磁场变化会对空间环境造成如何的变化？ 空间环境的变化能否

10、又影响了地球的演化？ 对于这些重大问题，依靠于观测数据的传统空间物理研究方式方法不再适用，由于空间环境的主要参数，如磁层的尺度、电离层 F2 层峰高等不会在岩石、树轮等常见介质中记录下来，且当前也未发现其他任何能够记录下这些信息的介质。这些属于空间物理学的问题实际上挑战了空间物理学本身，惟有打破学科壁垒，借助与其他学科的穿插研究才有可能找到答案:。 空间物理学现前阶段的难题给学科本身的发展构成挑战，同时也带来机遇。当代科学史反复证明，一个学科的日趋成熟能够对邻近学科产生促进作用，而被促进的学科亦可加速该学科的发展，学科间穿插融合，相互促进，构成了当代科学的发展脉络。如今学科分支冗杂程度到达历史

11、顶峰，任何一个领域的研究者都必须通过本身的彻底专业化才能开展有效研究。因而，学科穿插和研究者跨领域合作，是科学发展的内在需求，也必然是将来的主要趋势。空间环境是地球多圈层系统的最外层，又是日地关系链的中间环节，其在地球科学中的重要性不言而喻。空间物理学的日渐成熟为理解地球系统的运行和演化规律提供了必要条件，其与地球科学其他分支学科的穿插融合也必然会推动本身和整个地球科学的发展。 2 行星地球 视角下的空间物理学 行星地球 视角在本质上是地球系统科学的思路，即将地球视为一个多圈层耦合的复杂系统，各圈层通过物理、化学和动力学经过实现物质和能量的交换、转化和循环，并作为一个整体系统，与外界保持物质和

12、能量的交换和转化。这一看似自然的观点并非研究者头脑里固有，而是经过了长期的发展构成，且当下并没有得到研究者的普遍重视。正如早期地质学家出于研究方便考虑，倾向于在距离寓居地较近的区域采样，早期空间物理学家也倾向于在工作地附近建立观测台站，研究当地的空间环境特征。这种选址方式显然在经费支持、能源供应、设备维护等方面具有优势，为长期持续观测创造了便利条件。由于 1600 年 Gilbert 就在(De Magnete一书中指出地磁场是一个全球性现象，组织全球台站联测成为一些研究者的选择。例如，1882-1883 年和1932-1933 年2 次国际极地年，1957-1958 年国际地球物理年，都产生

13、了丰富成果。全球协作催生和强化了将地球空间作为一个整体来研究的观点。时至今日，研究者已普遍接受，空间物理中的很多现象，比方中低纬电离层等离子体分布特征和南大西洋异常区的内磁层构造，由于遭到局地地磁场强度、倾角和偏角的控制，确实具有特别明显的地域特性。但是，长期的知识积累也让研究者认识到，整个空间环境是一个全球尺度的构造，华而不实等离子体的分布状态和运动规律也主要受地磁场全球位形的影响。 全球化 视角早已成为空间物理研究的一个基本出发点。简言之，对地球的认识和研究是一个从 局部到整体 的经过。 人们对行星的研究则是从 整体到局部 .当1609 年伽利略把 10 倍放大能力的望远镜对准天空时，行星

14、才从一个亮点变成有外表细节的天体。20世纪下半叶，人造飞船对行星空间的实地探测和遥感探测使得行星空间环境最先被具体了解。截至当前，人造飞行器仅在月球、火星、金星、土卫六和彗星67P / C-G 5 个地外天体上进行过外表实地勘测，而地质学常用的人工采样只在月球上实现过。由于观测能力的限制，对行星的研究不得不从一开场就试图从整体上理解，十分是其与地球的异同之处。随着系外行星不断被发现，天文学研究者已经习惯于将系外行星与太阳系行星做比照，尤其是与地球比照来评估系外行星的宜居性。 行星地球 视角是将地球内部和空间的各个圈层都视为一个耦合的整体系统。事实上，空间环境中的多圈层耦合思想在近期 2030

15、年已深切进入人心。电离层-中高层大气耦合、磁层-电离层耦合、太阳风-磁层-电离层耦合等名词不仅成为很多学术论文的本文关键词语，也经常被用来命名论文专辑、学术会议、会议专辑、学术团体、探测项目、研究计划等。但是，磁层、电离层、中高层大气等众多圈层的耦合发生在同一个背景物理场中，即地磁场。地磁场起源于液态地球外核中的地磁发电机经过，而发电机经过又遭到其外侧的地幔和其内侧的内核状态的影响。换言之，地球的内部经过决定了地磁场的状态。地磁场不仅定义了地球空间环境的时空范围，调控绝大部分空间等离子体运动经过，决定太阳风能量输入效率以及磁层内能量的存储和释放，并且其本身也能通过磁场重联的方式实现磁能向粒子动

16、能和热能的转化。在空间物理学发展历史中，研究者关注的物理经过的时间尺度通常较短，如磁重联经过的时间尺度为秒，亚暴经过的为小时，磁暴经过的为天，牵涉到太阳活动水平的为年。在这种时间尺度下，地磁场被默以为是稳定的背景场，地磁发电机经过的变化确实可不予考虑。但在面对前述的空间环境参数长期变化问题时，即在百年或更长的时间尺度上，发电机经过必须被考虑进来。于是，地球内部和外部空间环境应当被视为一个耦合的整体系统，内部的发电机和太阳是决定空间经过的最主要的 2个因素。从空间环境中的多圈层耦合到整个地球系统的多圈层耦合，是地球科学发展的内在要求。 实际上，包含空间环境在内的地球多圈层耦合的思想已有比拟长的历

17、史。早在 1963 年，加拿大地球物理学家 Uffen8发表了一篇题为(Influence ofthe Earth s core on the origin and evolution of life的论文，指出地核发电时机通过空间物理经过对生命的起源与演化造成影响。他从 1959 年地球辐射带的发现得到启发，提出了大胆的猜测： 在地磁倒转时期，地球磁场减弱为零并持续几千年，于是被捕获在辐射带中的高能粒子被 倾倒 于地面，造成生物灭绝。文中他又进一步引申揣测道： 在地核构成之前，地磁场不可能存在，太阳高能粒子对地面的轰击将第 1 期 魏 勇等： 比拟行星空间物理17阻止生命构成。这一猜测引发了持续十多年的研究热潮，但随着小行星撞击讲的提出而式微9.同时期空间物理学处于探寻求索发现期，研究者们大多被空间中各区域的新颖的观测数据所吸引，固然也有少量探寻求索性工作发表9,但多圈层耦合的思想并未被广泛重视。当然，这并非是一件令人遗憾的事情，由于当时空间物理学需要解决的主要问题是探明空间各区域的磁场和等离子体状态以及建立基本理论体系，而非我们如今所碰到的空间环境参数长期变化等问题，且古地磁学等其他相关学科也远未成熟，尚不具备开展大规模穿插研究的必要条件。当下 行星地球 视角之所以显得重要和必要，也正是空间物理学现前阶段特征和所面临的重大问题所决定的。