空间物理探测

研究地球大气层外的空间物理现象和过程而进行的探测

空间物理探测（space physics exploration）为研究地球大气层外的空间物理现象和过程而进行的探测。空间物理探测及其结果是空间物理学研究的主要手段和依据。在地面设立观测台进行观测虽是空间物理探测的重要方面，但是它不能直接探测，不能定量地描绘空间各种物理量和它们之间的关系。火箭的出现，使人们能把各种仪器送入空间进行直接探测，使得空间物理迅速发展成为一门独立的学科。

发展阶段

火箭和卫星空间物理探测的发展大致经历了两个阶段。

第一阶段是对空间物理现象作定量的描述，主要是了解空间物理的平均状态，利用比较简单的仪器测量地球大气层、电离层、磁层和行星际空间的基本结构，在这个基础上建立了高层大气模型、电离层模型、辐射带模型和太阳光谱，发现了行星际磁场的扇形结构，建立了太阳风的模型。

第二阶段是对空间物理过程的规律进行分析，了解空间物理状态形成和变化的原因。除扩大探测范围，提高仪器探测水平外，还从单个卫星孤立地进行探测发展为多个卫星联合探测。

多颗卫星联测的好处是：

①可以区分被测物理量是随时间变化还是随空间变化；

②可以判断物理量是静止的还是移动的,并测出它移动的方向和速度；

③可以对不同区域同一时间的测量结果进行分析，研究两个区域物理量之间的因果关系。

第二阶段还进行了主动式实验,即用人工方法破坏空间物理环境的平衡状态,然后观测它恢复平衡的动力学过程。这种方法有利于从众多的物理参数中突出某一个或少数几个加以研究，发现其规律。

主要对象

空间物理探测的主要对象，有中性粒子、高能带电粒子、等离子体、固体颗粒、低频电磁波和等离子体波、磁场、电场。为探测空间物理环境，美、苏等国都发射了空间物理探测卫星。

中性粒子

地球、某些行星和少数卫星的大气层主要是由中性的原子和分子组成的。行星际空间中也有少数中性粒子。探测的方法是用质谱仪直接取样，分析中性粒子的成分和密度，或根据大气阻力造成卫星轨道的变化来推算大气密度。美国曾发射过专门测量大气密度的卫星。

高能带电粒子

空间存在着大量的电子、质子和重离子等能量很高的带电粒子。使用的探测仪器有：

①利用气体电离作用的盖革-缪勒计数器正比计数器和电离室；

②半导体计数器；

③切仑柯夫探测器。单独使用它们，能测到带电粒子的通量和能谱；组合起来可以测量粒子成分和角分布。早期的空间探测卫星大多带有测量高能带电粒子的仪器。

等离子体

太空中绝大部分物质以等离子形式存在。地球的电离层和太阳风都由等离子体组成，磁层中也有几个等离子体密集区域。由于过去人们对它认识不足，所以等离子体测量工作开展得较晚。直接测量等离子体的仪器分为两类：一类根据落到传感器上的带电粒子产生的电流来推算等离子体的密度和温度，如法拉第筒、减速势分析器和离子捕集器；另一类是探针，通过在探针上加不同电压引起的电源变化来推算等离子体参数。

固体颗粒

在太阳系内，除了行星和小行星外，还有大量的、微小的固体颗粒在围绕太阳的轨道上运动，这些固体颗粒称为微流星体。常用的测量方法有：

①利用微粒的冲击产生压电效应；

②利用微粒通过电容器两极板之间使电容器放电；

③利用微粒引起物质发光；

④利用微粒穿透挡光片生成小孔透过日光；

⑤利用微粒在塑料薄膜上打出小孔，回收后用显微镜分析。

低频电磁波和等离子体波

空间等离子体不稳定过程和电磁场变化会激发各种频率的电磁波和等离子体波。频率为几赫以下的波动一般用磁强计测量，频率较高的波动用接收机测量。

磁场

磁场是空间环境的重要参数之一。探测磁场的仪器有线圈式磁强计、磁通门式磁强计、质子旋进式磁强计和光泵磁强计。

电场

与其他项目比较，空间电场的测量工作开展较晚，因为空间电场强度一般只有几毫伏/米,而飞行器相对周围等离子体的电位一般高达几伏，使得直接测量极为困难。电场测量原理是：从卫星上对称地伸出两根杆子，测量杆子两端的电位差就能求出电场强度。主动式实验有释放钡云的方法，根据钡离子在电磁场作用下的漂移速度推算出电场的方向和大小。

中国路线图

中国科学院院士、中国“双星”计划首席科学家刘振兴称，中国2007年——2022年的未来十五年间，空间探测将在“双星”计划探测基础上，重点开展绕月探测、全面实施“夸父计划”、实施绕火星探测计划、进入行星际空间探测等。

在中科院最新推出的《二○○七高技术发展报告》中，刘振兴撰文《空间探测技术研究新进展》披露了上述信息，并详细提出中国未来十五年空间物理探测路线图——

“十一五”期间，在“双星”计划基础上，围绕“夸父计划”空间风暴和极光探测进行综合论证和预研究，将探测空间区域扩展至一百五十万公里的拉格朗日点。同时开展国家重大专项的绕月探测工程，并与俄罗斯合作进行火星探测。

“十二五”期间，全面实施“夸父计划”，通过三颗卫星的联合探测，实现从太阳上层大气至地球空间的空间天气因果链探测。“十二五”后期，发射磁层-电离层-热层耦合的小卫星星座计划，探测和研究太阳风-磁层-电离层-热层大气的连锁变化过程。

“十三五”至“十四五”期间，空间物理探测进入行星际空间，准备进行太阳极轨就地或遥感探测日地空间太阳风和行星际日冕物质抛射事件的传播与演化过程。着重实施绕火星探测计划，了解火星环境、火星表面水的消失过程和火星气候演化过程。

为实现上述路线图，这位权威空间科学家提出加强空间探测仪器预研究、提高空间探测仪器标定精度和探测精度、加强空间探测数据接收设备建设提高接收能力、加强综合的空间环境数据库和应用服务平台的能力建设等四项建议。

到2007年3月止，“双星”计划两颗探测卫星运行正常，星上各项仪器工作良好，数据流和指令流畅通。从二○○五年七月起，中国“双星”已各延长寿命一点五年，根据双星运行情况和科研需求，现正考虑再次延寿，计划自2007年一月起双星各延寿九至十二个月。

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