空间环境与人类生活

作者：: 安徽新天源建设咨询有限公司
最后修订：: 2020-07-03 15:32:18

摘要：

宁百齐：空间环境与人类生活

【简介】

随着人类空间活动的日益频繁，空间环境状态和变化，即所谓的空间天气，已成为当前十分重要的科学研究和空间应用领域。近年来，我国在空间科学和技术上均取得了令世人瞩目的成就。空间物理子午链国家重大科学设施，地球空间双星探测，嫦娥月球探测和已经正式立项的火星探测等项目，有力地推动了我国空间环境科学探测与研究的发展，对于提升我国空间环境监测、研究与预报能力，使我国从空间大国走向空间强国将发挥重要作用。

本次沙龙结合我国开展的地基和卫星探测项目和计划，基于中科院地质地球所近年来进行的地球空间环境探测研究工作，介绍空间环境有关的探测技术、方法和取得的研究成果，并就我国空间环境的观测研究进展，讨论地球空间环境整体行为和不同圈层的耦合过程，探讨空间环境变化与人类活动的相互影响。

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【主持人致辞】

王谦身：我国唐代诗人白居易在长恨歌中就写到“上穷碧落下黄泉”，为了找杨贵妃，上天入地也要去找，唐朝就考虑空间的问题了。现在，地球物理学就是研究上天入地的内容，对资源、灾害和环境都要研究。今天我们请地质地球所宁百齐研究员作主旨报告，谈谈空间环境和人类生活的问题。下面请宁百齐研究员作报告。

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【主旨报告】

宁百齐：空间环境与人类生活

首先谢谢大家，今天来了很多老科学家，我很荣幸有机会与大家交流。今天讲的内容是“空间环境与人类生活”。我们研究所就有一个“地球与行星重点实验室”专门做这方面的工作。我想从四个方面讲起。

一、我们所处的空间环境

根据现有知识，宇宙就是最大的空间，它的范围有340亿光年的空间，光传播的速度是30万公里/秒。先讲一下宇宙大爆炸的知识。大约在150亿年前，宇宙所有的物质都高度密集在一点，有着极高的温度，因而发生了巨大的爆炸。大爆炸以后，物质开始向外大膨胀，就形成了今天我们看到的宇宙。膨胀、爆炸，产生许多粒子、原子、气体云块、恒星星系，在演化过程中，又产生了人类。

我们所处的太阳系，有八大行星，地球是其中一个行星。太阳系只是宇宙的一个子空间，从天文角度说，它有一个光年的大小，从空间物理角度考虑，它有120个天文单位。地球与太阳的平均距离就是一个天文单位，一个天文单位约1亿公里。

在日地空间，有太阳大气、太阳风。在地球空间，有磁层、电离层和大气层。日地空间不是真空的，它有粒子、电场、磁场和重力场，有重力波、行星波、潮汐波、阿尔芬波（磁流体动力波——一种等离子体内沿磁场方向传播的波）和声波，它还有热辐射和光辐射。它们的能量源和物质源都是太阳提供的。

地球内部有地核、地幔和地壳。在地球的外核有对流并发电，产生地磁场。地幔排气再演化，产生大气层，有氧气、氮气等，也就是说，地球又为地球空间提供了物质源。

图1. 磁层的形成过程

地球有磁场，但在太阳风（带电粒子）的吹动下，地球磁场变成现在的样子。太阳的辐射产生光化学作用，高层的电离层以及接近地面的大气等，都受到了影响。中高层大气位于地球上方30-100公里，这里空气稀薄、开始电离、热源和热汇复杂。电离层位于地球上方60-1000公里，这里的空气部分电离、有中性和带电粒子共同作用、影响无线电波。磁层位于地球上方1000公里到几十个地球半径，这里的空气完全电离、空间等离子体完全受磁场控制。

人类生活所处的环境就是在围绕地球有引力场、重力场和磁场，有磁层、电离层辐射的空间环境。其中受地球引力作用控制的范围，其半径距地心约93万公里，受地球磁层影响的范围，其半径距地心约6.5万公里。正是由于地球表面的大气层的包裹、地磁场的保护，才使得太阳风的带电粒子的辐射被阻挡、被吸收，地球上的生命得以保护，才会有海洋、有植物、有丰富多彩的生活。

二、人类的空间活动

1. 人类空间活动——飞机

人类在唐朝以前就有上天的想法，但真正离开地面的飞行是在1903年怀特兄弟发明了飞机。到1914年开始第一次商业航班，2个乘客，佛罗里达。

2. 第一颗人造卫星

1957年10月4号，苏联发射了第一颗卫星Sputnik-1(58厘米,83公斤,3个月),在距地球表面几百公里高的轨道上运行。人类开启了太空时代

3. 对冥王星的卫星探测

新地平线飞船（2006年发射），2015年7月15号达到离冥王星12500公里高度。原来太阳系里是九大行星，后来冥王星不算在内，就形成了太阳系中有八大行星了。目前已经完成了人类对整个太阳系主要星体的卫星探测。

到目前为止，人类已经形成了非常完备的从太阳到地球临近空间的卫星探测体系，几乎所有地表以上的参量都可以用卫星探测。

2014年9月13日，美国国家航空航天局(NASA) 宣布1977年发射的“旅行者1号”探测器已经离开太阳系，正在飞向别的恒星。“旅行者1号”是首个冲出太阳系的人类制造的飞行器，截至2018年1月2日止，旅行者1号正处于离太阳211亿公里的距离。

4.人类空间活动呈爆炸式发展

当前，有各种飞行器在空间运行，空间充满了飞行器、卫星、退役产生的碎片。从下面的图中可以看到，在1960年和2010年间，地球表面飞行物的比较，在2010年的地球空间充满了太多的飞行物等。

图2. 人类空间活动呈爆炸式发展

5. 人类向空间发展

1961年4月12日，前苏联宇航员加加林完成有史以来的首次太空飞行，使人类从太空，距地球几百公里的高度观察到了自己居住的地球。

1971年，前苏联发射了礼炮一号（天空实验室号，和平号，国际空间站）空间站，人类可在空间站上居住。

2011年中国发射了天宫一号飞行器，并准备筹建（天宫二号，天宫三号）空间站。

1969年，美国阿波罗11号（阿波罗计划5次成功登月）首次载人登上月球，月球距地球是38万公里。

2004年，中国开始嫦娥系列计划，2007年嫦娥一号发射升空。后来，相继发射了二号、三号。现准备嫦娥四号，去月球的背面进行探测。

人类的下一个目标是美国猎户座计划，在2034年左右载人登火星。

6. 太空旅行

人类的太空旅行，不久就会实现。从下图可以看到去各个目的地的时间。

图3. 太空旅行

三、空间天气对人类活动的影响

我们生活在地球上，所关心的天气，就是地表2公里以下范围内的天气，如刮风、下雨、雷电、冷暖等等。随着人类向空间的发展，向空间飞行或者空间旅行，就需要关心地表几十公里以上的天气，过去叫空间环境。我们处在太阳-地球的空间，太阳的变化，会影响人类的生活。在上世纪末，国际上把这一部分称作空间天气。

太阳上出现的耀斑和日冕物质的抛射等剧烈活动，给地球磁层，电离层和中高层大气，卫星运行和安全，以及人类健康，带来严重影响和危害，通讯也会受到损害。人们把这种由太阳活动引起的短时间尺度的变化，称之为空间天气（大于30公里）。

图4. 地球地表的天气范围

万物生长靠太阳，地球地表的天气与太阳有关系，而空间天气的变化也与太阳有关。太阳上有一种日冕物质抛射的现象，太阳把一团物质抛射出来，形成高速的太阳风，它抛射的能量是地球上原子弹威力的1600万倍，一颗原子弹可以摧毁一座城市，足见威力。而与太阳抛射的能量相比，差距太大了。

图5. 太阳抛射物质的威力

太阳风是指太阳上每时每刻都有一些高能粒子吹向地球，而地球磁场把这些高能粒子阻挡住，使其偏转或反射，使生活在地球上的人类免受高能粒子的影响。

太阳风的暴发，发生地球空间暴，会引起高能粒子暴，磁场扰动，形成磁暴，产生电离层暴和热暴。太阳风吹向地球，使磁场偏转，会在地球的南北极形成美丽的极光。图中显示的极光，有从地面看到的，有从距地球表面250公里的航天飞机上看到的。

图6. 从地面和空间看极光

随着科学的发展，目前已经发现的空间天气对人类的影响如图7所示。

图7. 空间天气影响的领域

等离子体辐射主要发生在磁层部分。这些高能粒子会引起飞行器的电场充电，线路短路，损伤仪器。

无线电波的传播依赖于电离层，它们要么在电离层反射、要么穿过电离层、要么在电离层折射。电离层的变化就影响无线电波的传播。人类需要通过各种模型的计算，对电离层传播进行改正，保证无线电通讯不受影响，保证定位的精度。

图8. 空间信息安全

四、空间环境探测与研究

这方面的内容较多。这里主要讲我们研究所和我们实验室的一些情况。

首先介绍日地空间的一些常识。在太阳表面的部分称作太阳大气，就是太阳物理。在太阳和地球之间，存在太阳风，又称作行星际物理。在距地球附近，称作地球空间。地球空间又有磁层，在距地球1000公里以上，处于等离子体辐射环境，与航天应用有关。在距地球60-1000公里之间，存在电离层，与空间信息应用有关，属于电波传播环境，在飞行物飞行期间，需要通讯、导航、定位等。在距地球30-100公里间，属中高层大气，又叫中性大气环境，高空飞行物如导弹在这一层飞行。

图9. 从空间物理到空间应用

目前主要的科学问题是日地空间的起源与演化，空间环境的产生与变化。在日地空间系统的耦合过程中，太阳起主导作用,地球起基本作用。太阳风影响磁层、电离层。而地球内部的岩石层的变化，如地震也会引起大气活动，上传至电离层，尽管影响很小，但在耦合中也有作用，即地球基本作用。太阳与地球的相互作用，灾害性空间天气就会产生和发展，如磁暴、电离层暴等。

空间环境的探测有直接探测和间接探测。我们有空间飞行器和卫星，可直接在空间中探测各种数据，把测量仪器放到卫星上，当卫星经过时，进行测量。另一种是间接测量，利用辐射的粒子，通过光学和紫外研究其携带的信息，把高空的状态和参量提取出来。或者利用无线电波信号发射如雷达似的，通过电磁特性进行遥感，把空间状态提取出来。再有就是通过地磁观测，地面地磁观测的主磁场是地球内部的，而空间的带电粒子会影响到磁场的变化可以通过反演研究空间的一些参量。

图10. 空间环境探测方法

地质地球所建立了空间环境探测平台，有一个观测台链，在国内最北边的漠河，最南边的三亚，还在北极的黄河站和南极的中山站都建有台站观测，目前国内通过GPS卫星观测的，已有34个观测点，地质地球所建有数据控制中心。

图11. 空间环境探测平台

图12. 实验室研究内容和定位

下面介绍一下仪器。

1. 磁力仪

包括LEM-018三分量磁通门磁力仪、GM4三分量磁通门磁力仪、Mago1DI磁力仪、GSM90F Ovehause 磁力仪和LEMI-30感应磁力仪。在台站上配备用于综合观测。

2. 全天空流星雷达

用于测量高空大气风场，温度，流星扩散，流星速度等。

3.电离层测高仪

通过垂直发射扫频高频脉冲波，当电波频率等于电离层等离子体频率时，信号发生反射。测量从电离层反射回波到达接收机的时间延迟，获得各频率点电离层虚高，即频高图。

4.VHF（甚高频）电离层雷达

2009年在三亚站建立我国大陆首台VHF电离层雷达，测量电离层不均匀结构。

5.GNSS（全球导航卫星系统）卫星信标接收机

利用接受GNSS卫星发射的双频信号，可探测地面与GPS卫星间电波路径上的电离层电子浓度总含量TEC和电离层闪烁。

上述仪器在各观测站都有配备，已经实现了自动观测与网络监控。在地质地球所设有运控与数据中心。

图13. GNSS卫星信标接收机接受示意图

海南电离层非相干散射雷达建设，是2015年国家基金委重大科学仪器项目，投资1.1亿人民币建设三亚相控阵非相干散射雷达，子午工程二期拟投资2亿人民币扩展建设为海南3站非相干散射雷达系统。

研制并建立大功率相控阵“三亚非相干散射雷达”（简称SYISR），将是国际上首台进行低纬度电离层常规观测的和东半球最重要的非相干散射雷达。用于“低纬大气层-电离层-磁层耦合”重大科学问题研究，开拓新的学科领域，并服务于我国南方及南海地区的高频通信、卫星通信与定位导航等。

国家空间环境观测子午工程（子午工程一期）：在2008年，中国的空间环境监测网开始起步建设。建设沿东经120度子午线附近和北纬30度附近的空间环境地基监测链。由中科院牵头，七部委参加，于2012年10月正式运行。

子午工程二期监测系统台站布局和设备配置如图14。

图14. 子午工程二期监测系统

子午二期工程还要关注以下三个重点区域：

一链：从太阳表面、行星际到地球的多手段的各种观测；

三网：地磁网、电离层网和中高层大气网对我国的密集覆盖；

四聚焦：对极区的高纬度地区，对我国漠河的北方，海南岛的南方和青藏高原地区增加一些大型设备，做到精细探测。

空间环境观测台链的发展走过了很长的道路。从上世纪80年代，就开始建地磁台链，2006年，地磁台链与武汉的电离层观测站进行整合，2011年，建起空间环境的综合观测，并正式运行。目前，正发展我们自主研制的观测仪器。我们希望在2021年建成国际上的空间环境观测台链的观测基地，服务于国家的科学和应用研究。

图15. 地基空间环境观测历程与展望

我们实验室最近的计划中，有地磁卫星计划，准备在2022年发射5颗小卫星。通过卫星磁测获取高分辨磁场数据，与地震学、计算模拟等手段结合，研究地球内部与空间的关联（空间物理与空间拓展）。

中国首次火星探测项目，火星探测任务已正式立项，2020年发射首个火星探测器，我们也要积极参与。现正自主研制火星磁强计，在2020年火星探测时，利用火星巡视器建立火星物理观测站，探测火星表面磁场等，研究火星空间与火星内部结构。

在首颗卫星发射升空三十多年后，中国于2003年启动了首个纯科学太空任务——双星计划，主要研究地球空间环境。2015年以来，中国在地球轨道上投放了若干新的科学卫星，包括2015年的“悟空”号，2016年的“墨子”号，实践十号卫星，中国二氧化碳观测卫星，2017年的“慧眼”，以及2018年中国地震电磁监测实验卫星。将来要到木星探测。在2025年，我国将对彗星探测，在2030年将对木星探测，我们都将积极参与。

最后，我对这次报告做一个总结：

1. 空间环境随着人类空间活动需要变得也越来越重要，由此产生了一门新的空间天气学。

2. 空间环境探测将向更大的范围，更高精度多参量发展，空间环境研究前沿是空间系统各层次物质和能量耦合、传输及相互作用。

3. 多点、多手段、数字化、自动化、网络化和立体化是地基空间环境探测的发展方向，空间直接探测与地面遥感探测互为补充，缺一不可，共同促进空间物理科学研究。

4. 我国空间环境探测研究发展面临着大好机会，抓住机遇将会有力推动研究所空间物理学、地磁学和行星物理等学科发展。

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【讨论和交流】

王谦身：下面开始讨论，有谁先发言。

许荣华：我是学地球化学专业的，与空间物理有如隔山隔行。下面请教几个问题：

1. 在地球上，风形成的原因是空气流动产生压力差造成的。这里所说的太阳风或太阳辐射，也是太阳上存在压力差造成的吗？

2.为了观测空间环境变化，建立了许多工作站，主要沿子午线建的。而在南半球，咱们的观测站少，对咱们的观测有影响吗？有在南半球建站的想法吗？

3.地球化学的仪器设备在国际上比较先进，水平高，但国内自己造的较少。你们台站上的仪器设备，国内自己造的较多，而且获得了较好的观测数据。你们的仪器有那些是超过国际水平的？

宁百齐： 1.太阳辐射、太阳风与热核反应有关。太阳上完全是带电的等离子体，我个人认为，应该是有压差。太阳风是指高能带电粒子，而辐射是一种高能量。

2.关于观测台站的布局，受我国面积所限，只能在最北的漠河、最南的三亚建台站。现正考虑建国际子午圈线。由我们国家牵头，把澳大利亚、东南亚、俄罗斯、美国、巴西等国家都包括进来，称作国际子午圈线。

3.关于观测仪器，我们国家自己也做了一些，如地震局和物探局都研制了一些仪器。我们单位也做了一些。但噪声较高，还是国外的先进一些。

林世昌: 我是电子所的，我们单位研究的是微观的东西，如电子发射等。你们地质地球物理所研究的都是大玩意，如地球、地震等，今天学到不少的东西。你们研究的是空间的范围，在高空。我们电子所研究的是30千米以下的范围。最近，电子所、遥感所和光电院联合成立中科院的空天信息研究院，这也是很振奋的一件事情。

宁百齐：叫中科院的创新研究院吧？

林世昌：对，叫创新研究院。我们单位也做过一些与地质地球物理所有关的项目，如做过探地仪器、在三亚台站的雷达研究中，我们所也参加了一部分。你们研究的空间环境，从太阳一直到地上30多公里，这个范围所发生的事情，究竟与人类活动有什么关系，请给我们讲讲。

宁百齐：这个问题，我不一定回答的好。人类的活动基本都在地面的大气层里。现在的发展是向更高更远的空间，比如飞船、航天等等。如果将来的战争发生在空间的话，就必须对空间环境有足够的了解。因为一旦太阳有活动，就会影响空间飞行器的正常运行，导弹不能正确入轨、定位出偏差。

沈萍：我是地震局的。不久前，地震局发射了一颗“张衡一号”卫星，用于研究空间磁场和地震的关系。地面的有关实验室紧密配合。我想问一下，你们的实验室还做过一些什么研究?

宁百齐：我们主要研究的是日地空间环境的整个的耦合，相互作用，太阳、能量和物质的耦合。地球内部的变化，如磁场的变化，会向地球空间传播，我们也观测到了这些来自地球内部的微小变化，观测到了地震的波动。这些来自地球内部的微小信号的来源很复杂，目前还不能用它来预报地震。地震局经过几年的努力，把“张衡一号”送上太空，但它的观测仪器，大部分是探测空间环境的，如磁场、粒子活动等，从中找到有关地震的信息。

丁雁生：我是力学所的，是爆炸力学专业的，真是天外有天，今天听了报告，学到了许多东西。我今天想了解一下，空间环境与力学有些什么关系。空间环境有变化会影响飞行器的飞行，探测空间上去的运载工具与力学有关等等。在空间环境的研究中，我们力学所能帮着干点什么？

宁百齐：我觉得任何东西都与力有关，小到原子核有核力，大到能感觉到的引力。力的作用很多。太阳风、粒子活动都受到力的控制。

国连杰：今天听了空间环境的报告，了解到许多知识。我想提出几点看法。空间环境、地质、地球物理等研究的对象太复杂了，有很多不可预测的东西，很多内容都研究不清楚，而空间环境的研究进展如此之快，我有所担心，是否已对局部有所控制。地磁场最近的一次转变是在78万年前，是如何测定的。还有就是经常提到耦合，所有都是耦合的吗？空间的规律都遵循这个规律吗？

宁百齐：对于空间环境能否控制，因地球发出的能量太小，很难控制空间环境。人类知道有些空间灾害会影响空间飞行器，为了避免强辐射，就把飞行器的厚度增加，等等一系列措施。关于磁场反转，是由古地磁岩石倒转测定的。关于耦合，最早研究太阳，是孤立的研究太阳，后来发现地球上的一些变化，也会影响空间的一些变化，尽管影响很小。所以很多事物的变化都不是孤立的，都在互相影响。关于空间规律是否符合物理规律？可以说都符合物理规律，都能解释空间现象，如地磁运动、机械运动、相对论，最近提的较多的暗物质、黑洞的预测等等。

王谦身：暗物质是怎么一回事？

宁百齐：关于暗物质的大概意思是说，天体运行应该有一个固定规律，如太阳、行星的运动。但通过观测，它们不按这一规律运行，于是就认为必定有一种物质在操纵。还有就是宇宙空间，我们能观测到的，有太阳、行星和各种粒子，但这些只占宇宙空间的15%左右，我们看不到的百分之八十几，也应该是物质，它们就是暗物质。

汤克云：我谈一下对暗物质的了解。我们知道有银河系，银河系外的一些行星围绕银河系按轨道运转，这是可以观测到的，但是，观测到的与用牛顿定律计算出来的结果对不上，就认为有一种暗物质在起作用。还有就是用光学的办法看不到的宇宙中的物质，叫暗物质。而暗能量，在天文观测中发现空间在膨胀，行星之间的距离在变大，有一种排斥力在起作用，这种排斥力就称作暗能量。

孔祥儒：首先感谢宁百齐研究员的报告，提升了我们对空间的认识和了解。今天听了空间环境的报告，感觉很振奋，感觉我们在这方面的科学研究发展真快。现在的子午链所涉及的范围实际就是地球上的某个段，还没有形成地球的链。将来通过国际合作，形成地球的台链，涉及的范围就很大了。你在报告中提到的测高仪，能控制多远，可能需要加密，才能提高解释的精度？对于空间环境的观测，尤其是大的地磁事件，用天文的手段在很短暂时间可观测，只能观测到瞬间的变化。而地磁的变化可以保持较长的时间，用地磁的手段可以观测的时间长、更全面，进而预报更大的地磁事件。因为大的地磁暴会影响到地面的电网。加拿大的电网就曾受到地磁暴的影响，使电网运转瘫痪。我们国家的西北建立了许多大的超高压电网，如何提前预报地磁暴的发生，我们国家也提到日程上来了。空间变化对地面的影响很大，这次发射的“张衡一号”卫星，配置了电磁仪进行观测，专门观测空间的变化，用“张衡一号”卫星观测的数据预报地震，难度很大。今年是汶川大地震十周年，在有关的会上，没有再提地震预报，而是提地震预测和地震预警，因为地震预报太难了。再次感谢宁百齐研究员的报告。

汤克云：听了今天的报告，我感到我们的观测仪器、观测技术和国际合作方面，都取得了巨大成绩。记得我在2000年给气象局的人员做这方面的科普讲座时，讲的物理方面的内容，与现在的内容基本一致。但仪器和观测能力方面，发展太大了，尤其跟国际合作，使研究空间环境方面的工作，有了更大的发展。为你们取得的成绩高兴。

王谦身：今天的活动，到此结束。再一次感谢在座的老同志。

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【结论和建议】

1. 把观测台链扩大，更大程度的观测和了解空间的各种信息。

地质地球所建立了空间环境探测平台，有一个观测台链，在国内最北边的漠河，往南有北京和武汉，最南边有三亚等观测站，另外在北极的黄河站和南极的中山站都建有台站观测。目前国内通过GPS卫星观测的，已有34个观测点，地质地球所建有数据控制中心。

现正考虑建国际子午圈线。由我们国家牵头，把澳大利亚、东南亚、俄罗斯、美国、巴西等国家都包括进来，称作国际子午圈线。

2.加密仪器观测，提高解释的精度。