太空探索－指定教材

第一章 绚丽多彩的太空

1.3  为什么要探索太空

自从前苏联于1957年发射第一颗人造卫星以来，人类对太空的直接探索已经有40多年，取得了丰硕的成果。太空技术影响着人们的日常生活，现在，很难设想，如果离开了太空技术，人们的生活将会变得怎样。尽管人类在探索太空方面取得了很大成就，但对太空的认识还只是初步的，还有许多奥秘需要我们去揭示，有许多资源期待着进一步开发，对太空潜在的灾害，人类也需要深入认识，并找到避免和减轻灾害的方法。概括来说，探索太空的目的包括以下四个方面： 开发和利用太空资源，认识和避免太空灾害，开拓天疆，发展空间科学。资源是人类的生产资料和生活资料的天然来源，它来自于人类所处的天然环境。人类文明发展的进程，就与其所处的环境之间的关系看，一般表现为先适应环境，然后认识和研究环境，进而利用和开发环境的资源，以满足并改善人类的生存条件。在这个进程中，人类首先适应、认识环境，进而利用和开发陆地上的资源，包括土地、山、水、动物和植物等资源，进一步利用和开发陆地的矿物资源；随后对环境的认识和资源的开发扩展到海洋；20世纪初，这个进程已发展到大气层，到20世纪50年代末，扩展到太空。

太空是一个蕴藏着丰富资源的宝库，一般可将太空资源分成两类： 一类称为“硬资源”，就是我们用肉眼可以直接感知的物质资源，如在其他行星、小行星上蕴藏的矿物资源和太阳能资源等；另一类是太空环境所特有的资源，称为“软资源”，如高真空和高洁净资源、微重力资源、超低温资源等。在软资源的利用方面，目前发展迅速，且已发展成商业太空活动。商业太空活动是新太空时代的重要标志。最明显的特征是打破了政府机构对太空的单独控制，某些太空应用，如遥感，是受商业太空活动部门驱动的。太空技术带来了商业和社会活动各方面的革命，并且随着新兴技术使卫星能力不断提高，这种革命仍将继续。随着太空技术在交通、保健、环境、工业和能源方面的应用，太空应用已经进入家庭、企业、学校、医院和政府部门。太空资源已经给人类带来了巨大利益，但由于人类的太空基础设施还不完备，对太空资源的认识、利用和开发还需作艰苦的努力。近年来，来自太空的一种自然灾害越来越引起人类的重视，这就是近地小天体撞击地球问题。在太阳系运行的小行星和彗星中，有些天体的轨道与地球很接近，或者与地球轨道交叉。这些小天体受大行星引力作用的摄动，可能在相当长时间以后，与地球相撞。尽管发生这类事件的概率很小，但根据历史记录，不能完全排除这种可能性。更重要的是，限于目前的观测手段，这种对地球有潜在危险的小天体究竟有多少，它们的轨道特性如何，目前还没有查清，需要进一步努力。如果说小天体撞击地球问题离我们太远，但另一类太空灾害问题却是常常发生的，这就是灾害性空间天气。所谓空间天气，是指太阳表面、太阳风、磁层、电离层和热层瞬时或短时间内的状态。它们的状态可能影响空间和地面技术系统的性能和可靠性，可能危及人类的生命和健康。恶劣的空间天气可引起卫星运行、通信、导航以及电站输送网络的崩溃，造成社会各方面的经济损失。

灾害性空间天气对人类的影响越来越引起人们的重视。目前，美国、欧洲空间局和中国，都已制订了空间天气研究规划。随着人类对空间天气的认识不断加深，空间天气预报水平的进一步提高，空间天气将会像日常的大气层天气那样，引起人们普遍的关注。联合国1967年制订的“关于各国探索和利用外层空间包括月球与其他天体活动所应遵循原则的条约”明确了“外层空间为全人类所共有”的原则，太空活动可以覆盖全球及其大气层，不受领土、领海、领空的限制。对一国而言似乎没有领天问题，但是只有掌握进入太空技术的国家才能够在太空占有一席之地，取得在太空活动的自由权。只有具备运用太空资源能力的国家，才能够获得从陆、海、空疆域难以或不能获得的巨大利益。太空是没有国界的，谁有本事，谁有能力，谁先下手，谁就能占领。一个国家在太空设置了自己的太空基础设施，占领了有利于本国的空间位置和频率，这个国家才实实在在地在太空占有一席之地，表明这个国家开拓了天疆，或者说把国家的疆域和主权扩展到了太空。正因为如此，目前世界上很多国家都在加大人力、物力、财力的投入，以便在这个领域的竞争中占据优势。这个优势，既有利于发展经济，又有利于加强军事力量。事实上，美国早在20世纪80年代就抛出了“星球大战”计划，现在又加紧做太空战的准备。由此可看出，加强对太空环境的了解和利用，加强太空基础设施建设，对巩固国防，作好未来反侵略战争的准备，具有十分重要的意义。太空探测是发展空间科学的基础。与其他以大自然为研究对象的学科一样，空间科学也是一门观测的学科、实验的学科。没有观测数据做基础，发展空间科学就是一句空话。事实上，空间科学的许多重要发现，都是来自于观测上的发现。当然，我们不排除理论研究的指导意义。空间科学是研究地球空间、日地空间、日球、宇宙这个广袤区域的物理、天文、化学和生命等自然现象及其规律的科学，主要包括空间物理学、空间天文学、空间化学、空间微重力科学、空间生命科学和空间地质学。空间物理学主要研究发生在日球范围内的物理现象。当前研究的重点问题包括太阳变化的机制、太阳、磁层的结构、中高层大气，以及它们与上下层的耦合、行星系统的比较研究。

空间天文学是主要借助于航天器在太空进行天文观测和研究的一门学科。现在已经有红外天文学、紫外天文学、X射线天文学和γ射线天文学等重要分支学科。空间化学研究发生在空间的化学过程、宇宙物质的化学组成及其演化，又称宇宙化学。 空间地质学是应用地质学、地球化学和地球物理学的原理和方法研究太阳系各类天体的物质成分、结构、形成和演化历史的一门学科，亦称宇宙地质学或天体地质学。空间微重力科学研究在微重力或低重力条件下物理系统、化学系统及生物系统的规律，它的研究范围包括生物技术、燃烧科学、流体物理学、基础物理学和材料科学等学科。空间生命科学研究宇宙空间特殊环境作用下的生命现象以及探索地外文明。广义地说，它包括空间生物学、空间生理学、空间医学和空间生物工程学等。

太空特殊和极端的环境为空间科学的发展提供了天然实验室。目前世界上最高能量的加速器 也无法获得高能宇宙线所具有的能量。此外，像中子星的强磁场、黑洞的强引力、恒星的震动和耀斑，都为空间天文学的研究提供了广阔的天地。随着太空探索的进展，人类需要加强研究的科学领域越来越宽阔。例如，研究细胞生物工程与重力的关系，可进一步了解地球对生物的生存有什么限制，在太空是否能存在生物；在太空，利用高级光学技术可以探测有机、无机材料形成和生长期间的结构发展情况，进而可提高材料的性能；利用太空环境可以检验与技术发展有关的燃烧过程，这有助于研究在地球和太空的燃烧安全问题，提高燃料效率，并生产新的推进剂。在太空进行的一些实验，可为激光制冷原子、原子钟和生物物理学研究打下理论和实验基础。综上所述，探索太空具有极为重要的经济、政治、军事和科学意义。目前，世界上很多国家都在加大人力、物力、财力的投入，以便在太空领域的竞争中占据优势。面对这种形势，我们应当从战略高度上充分认识探索太空的意义，把开拓天疆作为国策。

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