空間物理學

主要利用空間飛行器直接探測和研究宇宙空間中的物理過程的學科。空間科學的一個分支。由地球物理學、大氣物理學和天文學延伸而來。人們最初對高空中所發生的各種物理現象如極光、流星、夜光雲等，只能在地面觀測。隨著科學技術的發展，人們利用氣球、火箭等升空工具探測高層大氣的成分和密度、高空磁場、高能粒子、等離子體等，逐漸形成高層大氣物理學，這是空間物理學形成和發展的基礎。1957年人造地球衛星發射成功，人類首次克服了大氣層的障礙，對廣漠的宇宙空間進行直接觀測，從而進入了空間時代。隨著空間科學技術的發展，探測區域由近地空間向外擴展到月球、行星和行星際空間。隨著對物理過程的動力學過程的研究，逐漸形成一門獨立的學科空間物理學。

人們早就對宇宙空間某些物理現象進行過觀測和研究。中國東漢班固在《漢書》中收有公元前15年3月 27日（漢成帝永始二年二月癸未）在西安看到的極光形態的生動描述：“夜，東方有赤色，大三四圍，長二三丈，索索如樹；南方有□，大四五圍，下行十餘丈，皆不至地滅”。在後來的中國史籍和地方志中，也有大量類似的記載。

人們對宇宙空間和地球本身的知識逐漸積累，首先形成了天文學和地球物理學。隨著科學技術的發展，人類利用氣球、火箭等運載工具能夠到達越來越高的空間，探測高層大氣的密度和成分、高空磁場、高能粒子、等離子體等，逐漸形成了研究高層大氣結構、成分和動力學過程的高層大氣物理學。並使之逐漸演化成研究高空的物理和化學過程的高空學。1957年人造地球衛星進入了宇宙空間，使人們克服了大氣層的障礙，有可能在廣闊的宇宙空間進行直接測量。人們對宇宙空間的研究領域擴展到離地球十幾億公里的行星和整個行星際空間，高空學也進一步演化成空間物理學，並從地球物理學中分離出來成為一門獨立的學科。

1957年以後，空間物理學發展十分迅速，大致經歷了兩個階段。50年代末至60年代是“普查”階段。這一階段主要解決宇宙空間是“什麼樣”的問題。這時的探測和研究以繪製宇宙空間各種物理量的靜態分佈模式或平均結構為主，陸續做出了高層大氣模式、電離層模式、輻射帶模式及磁場模式，描繪了高層大氣和磁層結構以及行星際磁場的扇形結構。同時著重研究了當時認為對宇宙航行造成威脅的高能粒子輻射和微流星體。第二階段從70年代開始。空間探測和研究由普查發展到按特定的科學目的、圍繞具體的課題來進行，並著重對外層空間現象變化的內在物理規律──動力學過程，進行深入的研究。探測區域也由近地空間向外擴展到月球、行星和行星際空間。在探測方式上也從單個衛星測量發展為多個衛星聯合測量，並多次採用主動試驗的方法，即用人工的方法破壞空間環境的平衡狀態，然後觀測它恢復平衡的過程，以研究其中的動力學問題。在理論上相應地以研究擾動的激發和傳播，各層大氣（見高層大氣結構）之間的物質和能量的耦合過程為主。

20多年來空間物理學雖然取得了巨大的成果，但由於空間物理學研究的區域十分廣闊，問題十分複雜，對於絕大多數問題來說，研究僅僅是開始，因此它還是一門十分年輕的學科。

研究對象和分支學科：空間物理學研究的空間範圍，是隨著直接探測手段的發展在不斷擴大的。它的分支學科則按其研究對象大致可以分為中層大氣、高層大氣、電離層、磁層、日球、宇宙線等。

一般是指平流層（約20公里）以上的大氣層。中、高層大氣除受到地球、太陽和月球的引力作用外，還受到來自太陽和其他天體的各種波長的電磁輻射以及來自外層空間的粒子輻射的強烈影響，大氣的溫度、密度、壓力、成分以及高層大氣的動力學和熱力學過程，都隨高度、地理緯度、地方時、季節、太陽活動及地磁活動程度而變化。太陽電磁輻射是地球能量的主要 來源，它的頻譜十分寬，包括從波長為10-4埃的γ射線到波長達10公里以上的無線電波的波段，既有連續譜，也有離散的譜線。輻射能量集中在可見光和紅外輻射部分,X射線和紫外線能量雖然只佔總輻射的很小部分，但強度變化大，又能導致高層大氣分子電離和離解，從而使高層大氣產生一系列極為複雜的光化學過程。由於這些微觀過程對中、高層大氣的結構和運動狀態有很大的影響，研究太陽電磁輻射及其誘發的中、高層大氣光學現象（如氣輝）和光化學過程，就成為中、高層大氣研究的重要內容。中、高層大氣中性粒子通過碰撞與電離層帶電粒子相互作用，通過各種尺度的運動（如潮汐運動、行星波、湍流等）與低層大氣互相耦合。

從離地面60公里處往上，來自太陽和宇宙空間的電磁輻射和粒子輻射使高層大氣電離，從而形成對無線電波傳播有顯著影響的電離層。電離層和磁層之間的關係十分密切，它們通過電場、電流和沉降粒子不斷進行著能量和物質的交換，電離層中的電流變化也是地面磁場變化的重要原因之一。電離層的發現及其研究，始終與無線電波傳播的研究緊密相連，了解電離層變化規律，預先掌握電離層的狀態及其可能的變化，對於無線電通信是十分重要的，而電離層的許多參數也是通過無線電波在其中傳播的特徵獲得的。

雖然早在30年代就認識到在地球周圍存在一個被太陽帶電粒子流包圍的區域，提出了接近於現代磁層的概念，但是直到60年代才有可能對它進行直接探測並進行較為詳細的研究。磁層直接與太陽風和行星際磁場連接，太陽風擾動時首先影響磁層，太陽風的能量和物質也首先進入磁層，通過它傳遞給電離層和中性大氣。因此它是研究日地關係，探索太陽大氣-行星際介質-磁層-電離層-中性大氣耦合過程中很重要的一個區域。磁層和電離層都是衛星和飛船的主要活動區域，它們都受到磁層的磁場、輻射帶和等離子體的一些影響，因此對磁層環境的測量和研究，將為宇宙航行提供重要的飛行環境情況。

由太陽發射的超聲速等離子體流(即太陽風)沿徑向向外流動，與恆星際介質相互作用而將恆星際介質排斥於一定距離之外，形成一個由太陽風和行星際磁場組成的區域，這個區域稱日球。行星際介質主要就是由這種超聲速的太陽風所組成，發生在這個龐大的宇宙空間中的物理過程，很大程度上是由它所控制的，因而日球物理的研究是探索太陽和地球之間因果關係的基礎。迄今為止還只在黃道面附近對日球進行探測，其中大多數還局限在地球軌道附近，只有少數探測器在其他區域作過一些探測。

宇宙空間中的高能粒子，一部分來自銀河系，一部分來自太陽。宇宙線作為宇宙空間的重要組成部分，它的成分、能譜、強度分佈和時間變化規律，它在空間的輸運過程以及它的起源和加速過程都是空間物理學研究的重要內容。它來自太陽表面和遙遠的星空，自然帶來許多可用來研究太陽表面活動區和銀河系高能物理過程的信息。宇宙線在日球內的傳播過程中，和太陽風、行星際磁場及磁層等相互作用，也使宇宙線成為研究這些區域的重要工具。宇宙線是使地球大氣電離的主要因素之一，對中層大氣的電離起著主要作用。

各個行星都有許多與地球相似之處（如多數都有磁層、大氣層和電離層），也有許多不同的地方（重力場和磁場強度，大氣組成，離太陽的距離以及自旋速度等）。對它們進行比較研究可以推動有關太陽系起源等基本問題的研究，也可以為地球現象研究提供許多有益的啟示，並有可能幫助人們解決一些如“長期氣候變化及其預報”等具有重大實際意義的課題。

空間物理學是一門基礎學科，它是由地球物理學、大氣物理學和天文學延伸出來的。空間物理學的誕生標誌著人類對宇宙的認識進入了一個新的階段。同時，宇宙空間中存在的在地面無法實現的物理條件和在其中進行的複雜的物理過程，使它成為研究稀薄等離子體和高能物理過程的理想實驗室。空間物理學從一開始就與這些基礎學科緊密地結合在一起，並且促進了這些學科的發展。

空間物理學是一門觀測性很強的學科。認識宇宙世界必須對它進行探測。適合於在 50～200公里高度範圍內作短時間探測的探空火箭，適宜於在30～50公里高度上長時間漂浮的高空探測氣球，以及遍布地球表面進行連續測量的地面觀測台站網。它們互相補充、各有所長。

徠空間物理的研究是通過廣泛的國際合作發展起來的。由於需要在廣闊的宇宙空間和全球各地進行大量的觀測，單靠一個國家的力量是難以達到的。因此，空間物理方面的大規模國際合作計劃幾乎接連不斷。從國際地球物理年開始，緊接著是國際地球物理協作計劃、國際寧靜太陽年、國際磁層研究計劃以及太陽活動極大年計劃和中層大氣計劃等。這些合作計劃所研究的課題都集中在空間物理的核心問題──太陽活動對地球及其周圍空間的影響上，而且都是多學科的綜合觀測研究。

空間物理學是一門觀測性很強 的學科。空間物理探測的主要對象有中性粒子、高能帶電粒子、等離子體、固體顆粒、低頻電磁波和等離子體波、磁場、電場。通過對這些物理現象的探測，可了解地球大氣層、電離層、磁層和行星際空間的基本結構，從而建立起高層大氣模型、電離層模型、輻射帶模型和太陽光譜，發現了行星際磁場的扇形結構，建立了太陽風的模型。在擴大探測範圍深度和廣度，取得較長時間的變化規律數據后，進一步對空間物理過程的規律進行分析，了解空間物理狀態形成和變化的原因。空間物理探測手段包括在宇宙空間進行直接探測的人造地球衛星、人造行星和行星際探測器，以及適於地球高層大氣的高空探測氣球和探空火箭，還有遍布地球表面進行連續測量的地面觀測台站網；它們各有所長，互相補充。

在離開地面幾百千米或更高的軌道上長期運行，衛星所載的儀器不受大氣層的影響，可直接對空間物理環境進行探測，因而成為空間物理探測的主要手段。由於衛星主要探測對象不同，要求探測儀器直接到達廣闊空間的各點，以便獲得儘可能大的探測範圍，因此這類衛星的軌道並不確定，有極軌道，也有低傾角軌道。軌道高度變化範圍大，近地點一般在幾百千米，遠地點可達數千、數萬、十幾萬千米。由於衛星使用的空間物理探測儀器種類較多，對安裝位置、探測窗口、溫度控制和儀器之間的電磁相容性等要求各不相同，這些都對衛星的形狀和結構提出一些特殊的要求，所以空間物理探測衛星外形差別也很大。主要的空間物理探測衛星系列有：探險者號衛星系列、軌道地球物理台系列、國際日地探險者衛星系列、宇宙號衛星系列。中國1981年9月20日用一枚火箭同時發射了3 顆衛星，是中國第一組空間物理探測衛星。

空間技術的發展，使宇宙空間不再是可望不可及的遙遠的世界，而是在人類生活中起著越來越重要的作用。但是空間環境以多種方式對在其中飛行的飛行器產生影響，例如，高速飛行的微流星體可以擊穿飛行器的外壁；高能帶電粒子以巨大的輻射劑量損傷各種材料，特別是暴露於飛行器表面的太陽能電池，威脅在空間活動的宇航員的生命安全；等離子體可以使飛行器充電到幾千伏以上，干擾以至徹底破壞飛行器的工作；地球高層大氣密度的改變能改變衛星的軌道，縮短衛星的壽命，影響導彈的命中精度；磁場則能改變飛行器的姿態。而空間物理的探測研究正是通過弄清所有這些因素的空間分佈和變化規律，以及它們對飛行體的影響，成為人類能夠置身於宇宙空間之中，並且開發和利用這一領域所不可缺少的一個環節。隨著宇宙航行的規模越來越大，宇航系統的複雜性不斷增長，更好地掌握空間環境的變化規律的要求也會更迫切。

太陽活動通過電磁輻射和微粒輻射來影響地球及其周圍的空間，更通過對地面系統的擾動直接地影響人類的生活，電離層暴導致無線電通信中斷；地磁活動可以在輸油管、通信電纜和輸電線路中引起相當大的感應電流，加速油管的腐蝕，干擾監測系統，並可能在輸電系統中造成嚴重的事故。空間物理的探測和研究可以為預報這些事件提供重要的依據。

空間物理學研究中具有極其重要實踐意義的，然而又是爭論最多的一個問題是太陽活動同天氣和氣候的關係。主張太陽活動對天氣和氣候有影響的學者已經找到一些相關統計結果來證明這一點，它們是以直接或間接描述太陽能輸出的參量（如太陽黑子數、行星際磁場指向、地磁擾動指數等）與地球天氣及氣候的測量數據(如溫度、氣壓、降水、雷暴頻率等)之間的相關形式出現的。反對者則懷疑這些結果，認為這些數據是局部的，而不是全球性的；資料涉及的時間太短，以及沒有經過必要的統計顯著性檢驗。此外，還沒有建立起將兩者聯繫起來的物理機制。但由於這一問題自身的重要性及其與空間物理的密切聯繫，它已成為空間物理研究中的極有生命力的課題。