太空探索－指定教材

第八章 探索太空的秘密

8.1  探索地球空间（1）

地球空间的探测内容是非常丰富的，包括地球空间各区域的结构、变化以及各层间的相互影响和相互作用，特别是地球空间环境随太阳活动和地磁活动的变化规律。对于高层中性大气，人们关心的是由大气成分、密度、温度和压强等物理参数表征的大气状态，以及这些参数的空间变化和时间变化。

电离层探测的主要内容是确定电子数密度、离子数密度、电离层电场的形态。空间等离子体的变化规律比中性气体复杂，因为它除了受地球引力、中性风影响之外，还受电磁环境变化的影响，这种电磁变化可来自太阳的电磁辐射和粒子辐射，还来源于电离层本身的电流系统变化。当前关心的主要问题是电离层的不均匀结构和扰动。

磁层探测的主要物理参数包括电子数密度、离子数密度、电场、磁场、辐射带的电子与质子通量和能谱、等离子体波、电流系以及磁层的整体形态。通过对上述参数的探测，使我们对地球空间环境的变化规律有深入的了解，能像日常的气象预报那样，预报地球空间环境短时间内的变化，即进行空间天气预报。探索地球空间的方法很多，根据所使用的探测器的位置，可分为地面探测和空间探测；根据所使用探测器的探测原理，可分为实地探测(也称直接探测)和遥感探测；根据探测器的载体，还可以分为高空气球探测、火箭探测和航天器探测。实地探测是将探测仪器直接放在所要探测的空间区域中，直接测量所在区域的物理参数；遥感探测则没有将仪器放在目标介质之中，而是利用目标介质对波的反射或散射特性，获得目标介质的性质。波可以是电磁波，也可以是声波。如果波是由探测器发射到目标介质，这种方法称为主动遥感；如果波是起源于目标介质内部的自然性质(如极光发射)，则称为被动遥感。

地面探测历史悠久。随着科学技术的发展，探测手段和设备不断地得到更新。先进的地面探测系统也可以得到接近于实时的太阳可见光、射电、地磁场、宇宙线、电离层和中高层大气数据。借助于大型望远镜，可以监测一些行星和恒星的特性。用大功率雷达，可以探测近地小行星以及地球电离层和中性大气层的特性。常用的地面探测设备有光学望远镜、射电望远镜、雷达、电离层测高仪、磁强计、宇宙线观测仪、宇宙噪声接收机、全球定位系统(Global Positioning System, 简称GPS)接收机等。地面探测的优点是： 可在固定点上进行长期、连续的观测；可将多种探测手段根据需要集中在一个地区，建立综合观测站，有利于对太空现象的多方面了解；可将相同的多种探测手段组成台站链或网，如我国计划实施的地球空间环境子午链工程，这项工程北起黑龙江省的漠河，往南是长春、北京、武汉、海南岛、南极的中山站，沿着这条子午线设立的观测站，可以同时观测太阳活动在不同纬度区产生的效应，有利于深入研究日地关系，如果再将此观测链与对应的西半球子午线闭合成一个圆，效果会更佳。

太阳活动的地面探测时间最长，数据的时间跨度最大，适宜于统计规律的相关分析研究。但这种探测方法对太空现象的了解是间接的，无法得到其物理参数的空间分布。空间分辨率低，难于获得所观测对象的细致结构。另外，由于大气层的作用、对电磁波的吸收和散射作用，对太阳和地球以外行星的观测受到严重限制。

高空气球探测是50 km 以下高度中层大气探测的重要手段。我国高空气球的最大升空高度达38 km，载荷达500 kg以上。它在高能天体物理、空间天文、中层大气物理、遥感等多方面都有广泛的应用。我国利用高空气球已经进行了多次平流层气溶胶、臭氧、湍流与波动特性、离子质谱等方面的探测。高空气球探测的优点是：成本较低，空中停留的时间较长(与火箭探测相比)；是实地探测，可以得到有关物理参数的高度分布。这种探测方法的缺点是： 气球随风飘动，位置不易控制。

火箭探测是50～200 km高度范围内惟一可用的直接探测手段，适宜于测量这一区域内的大气参数。利用火箭探测时，在火箭的上升段，仪器可以直接测量所经过路线的空间环境参数。当火箭到达最高点后，一般是弹出降落伞，降落伞带着探测仪器慢慢下降，这样可以继续对空间环境进行探测。火箭探测需要有雷达相配合，对火箭和降落伞的位置进行精密跟踪。与卫星探测相比，火箭探测的准备时间短，机动灵活，适宜于捕捉突发事件，如耀斑、极光等。缺点是： 在空中停留的时间短，单位测量时间或单位数据的成本高。

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