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中科院刘振兴院士漫谈太空物理学

来源:腾讯科技       日期:2015-11-06

中国院士,一份至高无上的荣誉,一份如履薄冰的责任,他们在各自的专业领域辛勤的耕耘,他们不平凡的人生经历折射出智慧的光芒……欢迎大家每周二上午10点锁定腾讯科技院士访谈栏目,和我们一起聆听院士们的心路历程。
腾讯科技讯 8月27日,中国双星计划首席科学家、中国科学院刘振兴院士做客腾讯,漫谈太空物理学,与网友展开互动。
 

中国科学院刘振兴院士(左)与主持人(右)合影

郭桐兴:各位观众,大家好!欢迎大家来到院士访谈栏目,我们今天非常荣幸地请到了中国科学院院士、国际宇航科学院通讯院士、中国科学院空间科学与应用研究中心研究员,中国地球空间双星探测计划首席科学家,中国星簇卫星数据和研究中心主任,国际地磁和高空物理协会中国委员会主席,我国著名的太空物理学家刘振兴院士,刘老师您好!欢迎您!

刘振兴:您好!

郭桐兴:今天我们主要是想请刘老师就太空物理学,谈一下他个人得一些看法和观点。首先想请刘院士介绍一下什么是太空物理学?研究太空物理学对我们人类有什么用途?

刘振兴:我首先谈一下什么是太空物理学。我们中国科学界称太空物理学为空间物理学。现在看起来空间物理学这个名词,对广大听众来讲不容易理解。为什么呢?因为空间这个名字是泛指的,我们经常用“空间”这个名词,比如说房子,要搬一个大沙发,有人就说了你这个房子的空间有多大,能不能放进大沙发等等。于是我感觉,我们称太空物理学会比较容易理解一些。我们这里说的太空,是指地球外层空间的泛指。所谓外层空间,现在看起来,大约是从平流层的顶部50公里左右,一直往上,直到遥远的宇宙空间。

郭桐兴:是这样界定的?

刘振兴:对。但是,因为太空包括的空间范围非常广,因此我们研究的太空物理学根据太空的不同区域,目前我们将太空物理学分为两大分支。

郭桐兴:哪两大分支?

刘振兴:一个分支是日地空间物理,所谓日地空间物理就是指从太阳一直到地球的范围。日地空间包括哪些区域呢?包括太阳的上层大气、日地行星际,再下面就是地球的磁层、电离层或中高层大气。目前国际上已公认,将地球磁层、电离层和中高层大气称为地球空间。

郭桐兴:是不是涵盖了太阳系的几大行星?

刘振兴:没有,这是另外一个分支了。这里我们称为日地空间物理,但目前又细分了一些小的分支。即太阳上层大气物理、行星际空间物理、磁层物理、电离层物理、和中高层大气物理。

就日地空间物理来讲,到底研究什么问题呢?第一,我想笼统地介绍一下太空物理学的研究内容,然后再讲日地空间物理研究的内容。

概括来讲,太阳物理的发展是从1957年第一颗人造卫星上天以来产生的一门新型学科。也就是说,太空物理是利用各种太空飞行器,如卫星、飞船等,对太空中的各种现象的变化,包括物理、化学过程的变化,同时这些变化对人类的活动、生存环境影响进行研究的这样一门新型学科。太空物理学是一种观察科学,它最初的发展是利用太空飞行器进行探测来推动的,笼统来说是这样一个新型学科。为什么要分为这两大分支,因为人类居住的地球也是一颗行星,为什么我们单独把日地空间物理分出来?因为人类居住在地球,地球可说是一颗特殊的行星。因为日地空间对人类的活动、生存环境的影响特别大,所以我们强调把日地空间物理作为一个分支。

那么日地空间物理主要研究什么呢?因为地球的活动变化是直接受太阳的影响,太阳如果发生一些事件,对地球空间非常有影响。因此我们首先研究太阳上的主要爆发事件,这些爆发事件可能有些是大家知道的。比如说太阳耀斑,还有一种很重要的,就是日冕质抛射事件。

日冕就是太阳的上层大气,它如果一旦发生物质抛射,可将百亿吨的质量抛射出来,通过行星到达地球磁层附近。

这个事件非常重要。另外,日冕上经常发生高速流事件。此外,在太阳耀斑和日冕物质抛射事件期间,还出现太阳高能粒子事件。

郭桐兴:这些事件对地球有什么影响?

刘振兴:这些爆发事件是怎样产生的?产生的机制是什么?这是很重要的。第二,这些事件在太阳上发生后,不是老老实实地呆在太阳大气里面,而是往行星际传播,怎么传播过去呢?传播过程中,它的表现形式是怎样变化的?在行星际的空间中是怎么表现的?这方面特别重要。这些活动事件以及它的表现形式,是能够影响地球空间环境的。我在这里强调一下,专门有一个名词叫做“地球空间”,地球空间就是指地球的磁层、电离层和中高层大气。传到行星际的太阳事件,能够影响地球空间环境的变化。具体来说,真正对人类活动的影响是地球空间的爆发事件。

我将地球空间中的爆发事件总称为地球空间暴,包括:,磁层亚暴,磁暴,磁层离子暴,电离层暴,和热层暴。这些地球空间暴,我们也称其为地球空间天气,它会影响到人类的活动,包括航天活动,天基和地面的技术系统,以及人类生存环境的影响。我讲的这些内容,概括起来是日地空间物理研究的主要内容。

刚才我们说分为两个分支,包括日地空间物理和太阳行星空间物理。太阳行星空间物理包括地球以外的几个行星,现在是八个。太阳行星空间物理主要研究什么内容呢?第一个是研究太阳风对行星空间有什么影响。具体来说,研究行星的磁层、电离层和中高层大气的结构和变化过程。
郭桐兴:您谈的太空物理学范围,是不是可以这样理解,是指整个太阳系范围?
刘振兴:对。这两块加在一起就是整个太阳系,研究太阳系的太空物理。同时我们要把地球环境和行星环境进行比较研究,比如说研究行星环境变化的目的是进一步了解地球过去和现在的演化,另外我们要研究在其他行星上是不是存在着水、生命,这和地球环境的研究不一样。

下面我谈一下日地空间物理对人类有什么作用?

郭桐兴:这也是大家最感兴趣的,研究太空物理学,研究日地空间物理对我们人类有什么作用?

刘振兴:人造卫星的发射成功,标志着人类认识宇宙进入了一个新的纪元。从科学研究来讲,对我们的认识、知识和技术的创新,上了一个台阶。过去我们所有实验都是靠地面实验,但我们利用太空的各种手段,进入太空以后就不一样了。太空相当于一个广大的天然实验室,我们发射的这些飞行器,实际上就是在天然实验室中进行实验,因此就大大地开拓了人们的科学实验范围,会了解一些在地面实验室中不能认识到的问题,于是就大大地开拓了我们认识宇宙的视野、对太空资源开发和利用的能力,这方面很重要。因为太空物理学是新型学科,并且是一个交叉学科,它跟很多重要学科有密切联系。比如说天文物理、等离子物理、天体力学、大气科学、地球物理等都密切相关。于是我们这个学科的本身发展,实际上也在推动着其他学科的发展,并且在学科的交叉中还可以产生新的学科。我们这个太空物理学的研究,对人类的活动、生存到底有什么影响?随着科技的发展,人类活动的空间范围越来越大,为了推动我们社会的经济发展,就需要发展一些应用卫星。比如说目前不断发展的通讯卫星、气象卫星、导航定位卫星、资源卫星、海洋卫星等等,这些应用卫星对我们人类的生活影响相当大。比如说通讯方面,看电视的卫星频道,没有卫星,看电视都有一点麻烦。

郭桐兴:昨天我还看了一个介绍,凤凰卫视播了一条新闻,南京点击查看南京及更多城市天气预报的一所中学的电台,直接跟咱们太空站的宇航员进行了九分十九秒的对话。中国中学生向宇航员提出了很多问题,直接进行英文交流。这正好体现了您刚才所说的情况。

刘振兴:比如说气象卫星,现在大家生活、工作都离不开天气。还有导航定位,包括打手机、开汽车都要导航定位,所以说与人们的生活密切相关。资源也是这样。

在粒子暴期间,不同能量的带电粒子,会对卫星系统起破坏作用,例如:单粒子事件,会引起飞行器计算机系统的逻辑混乱,甚而造成灾难性的后果;带电粒子的强辐射剂量,会使飞行器的部件受到破坏;带电粒子可在飞行器不同部位发生充电和放电,致使设备甚而整个系统破坏和失灵。另外,地球空间暴会引起高层大气的密度突然增加,显著影响飞行器的轨道精度和寿命;电离层暴期间,可引起通信中断和显著影响导航和定位的精度;此外,强磁暴期间地面技术设施也会受到影响,比喻说对高电压输电系统和埋在地下的长距离输油和输气管道也会受到破坏。

郭桐兴:您能不能说的稍微具体一点?

刘振兴:加拿大的石油管道和有的是高压输电系统就受到破坏,产生重大的经济损失。我们现在还没有认识到这些,为什么它对输油管道会产生很大的破坏。通过研究可以知道是什么原因引起来的。另外,我们可以对这方面提出科学数据、依据,甚至我们还可以提出一些防护对策。

郭桐兴:可以预告吗?

刘振兴:可以。比如我们的天气预报,我们已经在做这方面的研究了。研究的目的之一,就是为了提高空间天气预报的水平,就跟地面的天气预报一样。

郭桐兴:跟咱们的天气预报相类似?

刘振兴:对。比如说要发射卫星了,但可能有爆发事件,就推迟一天。或者是发生了事故,我们就研究这个事故是什么原因引起来的。我们太空物理学的研究可以对航天活动、天基和地基技术系的安全运行提供科学数据、预报方法,提供防护措施。

我再讲一点很重要的,目前看起来对国家安全也发挥着非常重要的作用。现在的战争已经从陆海空发展到了太空,现在是陆军、海军、空军、太空部队,是立体战争。并且我刚才说的地球空间已经成为了主战场。战争期间,卫星会大量的增加,就相当于指挥部的眼睛和耳朵,都在上面。

郭桐兴:比如说中东战争时期,有几百颗卫星同时观测着地面的目标。

刘振兴:对。如果一旦通讯系统发生故障,那么通讯就会中断。同时精确度非常重要,比如说导弹,美国打伊拉克的时候,为什么打了英国,就是受到了太空环境的干扰,定位定错了,发生了误差。通讯系统、导航和定位系统等,这些都是靠卫星上的设备。

郭桐兴:非常重要,这关系到国防建设和国计民生的安全。

刘振兴:太空物理学研究的目的之一,就是为保障航天活动和国家安全、提高通信、导航和定位的精度提供科学数据、科学依据和防护对策。另外,就是通过研究,提高太空天气的预报水平,为推动国家经济、社会的发展和保障国家安全作出贡献。
郭桐兴:而且跟老百姓的生活息息相关,密不可分。
刘振兴:一个好的太空科学探测计划,会带动各方面技术的发展,因为方方面面的技术都会用到。科学和技术的发展相互之间都是有联系的,相辅相成的。比如说高技术发展必须有一个目标,而科学探测,必然是超前的,前瞻的,必然会提出满足实现科学目标的技术要求,这就为技术专家提出了发展技术的目标、设计的启示和新的思路,从而推动了太空技术的发展。反过来,太空技术的发展,又进一步提高了太空科学探测的水平。

比如上世纪60年代美国提出的阿波罗计划,显著提升了美国的整体技术,推动了各方面技术的跨越发展,这一点也是非常重要的。

郭桐兴:这标志了一个国家科技实力的水平。听您这样说,太空物理学对我们来说是非常重要的一门学科。下面请您介绍一下太空物理学的发展历史,以及太空物理学的研究现状好吗?

刘振兴:我简单谈一下。太空物理学发展的基础就是太空探测,因此标志着太空物理学的发展是对应的探测计划,比如说探测卫星发上去了,探测到了很多新的数据,那必然就会出很多新的研究成果。总体来看,自从1957年第一颗卫星发射上天,一直到现在,它的发展历史可以分为三个阶段。

第一个阶段,大概是从1957年底开始,一直到1970年的中期,这几年是太空物理学的普遍探测阶段。那时候不需要什么计划,因为过去我们对太空一无所知,认为太空就是真空,好像没什么东西。当时苏联是最早的,主要是苏联、美国这两家研究。首先是探测磁层,这里离地球近一点,然后是探测太阳风。这个期间发射了一大量卫星,探测到了一些现象,因为之前对此是一无所知,最早发现的就是地球辐射带,这个辐射带中存在着大量的高能带电粒子,破坏性很大。以前认为都是真空,突然探测到了内辐射带和外辐射带,所谓辐射带就是储存着大量高能带电粒子的区域。我们最怕的就是辐射带。

最早是苏联的卫星先上去,这就是以前科学研究不够的原因,他们认为是测量仪器饱和了,因而不知道这就是辐射带。后来美国的卫星上去了,就看到了内带和外带,高能粒子特别强,现在叫地球辐射带,这个发现非常重要,也是上天以来的首个发现。当然后面陆续也有很多发现,发现了磁层,磁层的结构基本上都清楚了,包括磁尾巴,磁层里面还有很多区域。然后就是太阳风,太阳风的速度、密度,到底有多大,分布大致怎么样,也基本上都清楚了。这个阶段为太空物理学的发展打下了很好的基础。

郭桐兴:大概用了十几年的时间。

刘振兴:对,奠定了一些非常重要的理论基础。第二点,在普查阶段,不管是什么卫星轨道,都放,因为一无所知嘛。后来大家感觉不对,就开始了有计划的探测阶段。通过第一阶段的探测和研究,虽然取得了一些新的发现,为太空物理学研究打了好的基础,但大家意识到,要想进一步了解这些现象的物理过程,必须开展有目的和有计划的探测。下面我概要谈一下太空物理学发展的第二阶段的情况。

(1) 1976-1979年实施的国际磁层研究(IMS)计划

国际磁层研究计划共发射了6颗卫星,其主要科学目标是探测和研究太阳风与磁层的耦合过程。这个计划的重要贡献,是证实了向阳面磁层顶边界层区的稳态重联过程;发现了瞬时重联产生的通量传输事件;发现了极光千米波辐射和电离层上行粒子事件;揭示了无碰撞激波的一些重要特性。

在此期间,理论研究方面取得了大的进展,主要成就是:建立了几个磁层亚暴模式;提出了极光千米辐射理论;建立了几个瞬时磁场重联理论模型。

(2) 1981年实施的动力学计划(DE)

DE计划的主要科学目标,是探测研究磁层和电离层的耦合过程。这一计划推动了极光动力学及磁层—电离层—中高层大气动力学、光化学和电动力学耦合过程研究的发展。

郭桐兴:人们的研究越来越丰富了。

刘振兴:第三个阶段,进入到了对整个日地空间的探测阶段,就是从太阳到地球,把整个日地系统都联系起来。包括太阳上层大气、行星际、磁层、电离层、中高层大气等,都联系起来了。这叫国际日地物理计划,该计划的主要目标是研究日—地系统的链锁变化过程。

郭桐兴:人类研究开始向纵深方向发展。

刘振兴:国际日地物理计划是从1980年开始酝酿,真正启动是1993年开始的,到1996年共发射了6颗卫星,对日地系统的连锁过程有了基本的了解,并取得了一些重要的成果。

郭桐兴:等于人们对日地系统有了一个初步的了解?

刘振兴:有了一个框架的了解。

郭桐兴:还是取得了很大的成就?

刘振兴:对。

郭桐兴:下面请您介绍一下我们中国太空物理学研究的现状好吗?

刘振兴:中国太空物理学的发展,真正的起始也在是在1957年第一次国际地球物理年期间,在这里需要特别提到一个人,就是我的导师,赵九章院士。他非常高瞻远瞩,第一颗卫星发上去以后,他认为对于人类的影响是很大的。在国际地球物理年期间,在他的倡导下,开始了地面系统的建立,比如说建立了廊坊和上海点击查看上海及更多城市天气预报电离层观测台,建立了广州点击查看广州及更多城市天气预报和北京点击查看北京及更多城市天气预报与轴线台。引进了先进的光学仪器等。

目前我国太空物理的地面观测有了很大的进展。在电离层、地磁观测方面,已形成了北起漠河点击查看漠河及更多城市天气预报南至三亚的沿120度的观测链,这是很重要的进展。另外在大气观测方面,我们的几种雷达系统已经基本上建立起来了,包括低频雷达、激光雷达、中高层大气雷达。真正研究是靠天地一体化,另外,我国已建立起气球和火箭的探空系统。自1970年4月24号成功的发射我国第一颗卫星以来,我国提出了太空探测的“实践号”,先后发射了“实践号”一号、二号、四号、五号、六号,这些卫星主要是配合技术的需要,探测空间环境,部分地探测太空科学,这是非常重要的。同时还在气象卫星、海洋等卫星上搭载仪器进行探测。总体来说我们在科学方面取得了一定的科学数据,在航天活动的保障方面起到了重要的作用。

我简单谈一下双星计划,这是我们中国空间探测的一个里程碑,全名是“中国地球空间双星探测计划”,简称“双星计划”。是我国首次以自主提出来的计划开展国际合作的重大太空探测项目。
郭桐兴:实际上这个计划是您首先提出来的。
刘振兴:1997年1月份提出来的,当时提出来也是有背景的。1990年,我代表空间中心向欧空局克拉斯特科学数据系统提出了一项合作建议书,经欧空局科学委员会评审通过的,当时就成立了中国克拉斯特科学工作队,和克拉斯特(包括4颗卫星)数据和研究中心,我担任首席科学家,这是我们一个很重要的基础。克拉斯特是国际日地物理计划的核心卫星,它于1996年发射,结果失败了,当时很多人都哭了。阿里亚那发射的第一次发射的就是这4颗卫星。现在为止克拉斯特仍是国际上首屈一指的.克拉斯特发射失败后,欧空局立即批准新的克拉斯特计划,称为克拉斯特--2。在这期间我认真分析了国际日地物理计划存在的局限性,认为这个计划大部分卫星的近地点都较远,不能覆盖磁层空间暴的重要活动区。根据国家的重要需求和国际发展前沿,我于1997年1月提出了地球空间双星探测计划(简称双星计划)。双星计划提出后,立即受到了国际上太空物理界的重视。欧空局组成了以副局长为首的10人代表团于1997年11月访问了空间中心,欧空局主动提出与中国的双星计划进行合作。这就是中国与欧空局进一步合作的背景。

郭桐兴:地球空间双星探测,我们跟欧空局合作,内容指的是发射六颗卫星?

刘振兴:后来是六颗。中国的双星计划,主要目标就是探测和研究地球空间暴触发过程,这是当前乃至现在最有挑战性的科学问题。

郭桐兴:非常关键,非常富有挑战性的工作。

刘振兴:富有挑战性的问题。是我刚才说的地球空间暴,包括磁层亚暴、磁暴、磁层粒子暴、电离层暴、和热层暴。

郭桐兴:当时欧空局发射的是四颗?

刘振兴:欧空局克拉斯特的4颗卫星是于2000年7月和8月分别发射的。他们主要是探测小尺度的结构,他们的轨道比较远,远地点是20个半径,我们发射的最远的是13个半径,这个非常关键。他们是探测小尺度的,这个最拿手。中国双星或者是与克拉斯特联合起来,可探测大中小尺度。双星与克拉斯特联合探测首次形成了地球空间的“六点星座”探测,过去卫星数量虽然很多,但不能叫做星座探测。第一次形成“六点”探测的标准,有三个条件,第一个条件是我们在六颗卫星上的探测仪器,基本上是相同的,标准是一样的;第二,6颗卫星同时观测,即观测是同步的;第三探测区域是紧密配合的。

郭桐兴:看来,多颗卫星的协调和同步探测对科学俄研究是十分重要的。

刘振兴:是的,这样目的性就强。而以前有的是标准都不一样,这还怎么比较呢。

郭桐兴:不在同一个时间段的数据没有什么可参照的价值?

刘振兴:有的都联系不起来,这还怎么用。

郭桐兴:这个相对来讲比较科学,有相当的可靠性。

刘振兴:对。双星--克拉斯特联合探测在国际上的影响是很大的,双星联合探测所取得的这些数据,已经引发了当前国际磁层研究的热点和新的聚焦点。我们已经取得了一批新的研究结果。

郭桐兴:双星计划推动了我国航天领域的什么技术?

刘振兴:推动了中国的探测技术。一是提高了卫星的剩磁技术,卫星本身是一个大磁体。如卫星的剩磁很大,太空磁场就测步准;二是提高了卫星的等电位技术,防止卫星表面的放电;三是提高了卫星的防辐射技术,因双星大部分时间都穿过地球辐射,必须加强对卫星的各种设备的防护;四是提高了火箭上面级发动机研制技术和火箭发射精度。双星的探测1号(TC-1)是我国首次发射到8万多公里,过去最高是3万6千多公里。

郭桐兴:通过双星计划的实施,我国的某些相关技术有了很大发展,登上了一个新的台阶。

刘振兴:提高了一些。

郭桐兴:下面请您谈一下,对于太空物理学的未来发展趋势您有什么看法?

刘振兴:总体来讲,未来的发展和现在是有关联的,哪些还不了解,哪些就应该进一步发展,发展要突出重点。我想主要有这样几个方面。

第一,进一步加强日地空间系统的协调探测,加强日地空间天气链锁变化过程的研究;加强这方面的连环探测,对这些方面进行进一步的了解。

第二,日地空间和太阳行星空间,这两块要结合起来进行联合探测,不要分的那么清楚,要将地球与太阳系的行星联系起来进行探测和研究。

要加强地球环境和其他行星环境的比较研究,这方面必须得加强。就是通过对行星地研究进一步了解地球,特别是对地球的过去、现在以及未来的演化趋势,了解地球环境到底是怎么变化,可以通过对行星的研究得到一些启示。加强太空环境对人类航天活动,人类在太空中可居住性影响的研究,和人类生存环境的研究。第三,太空探测方面要进一步提高。地球空间方面我们要开展多卫星的探测,跟天气预报一样,适当地布置多卫星探测。同时一些小尺度也非常重要,要进一步发展像克拉斯特那样的就是小尺度探测卫星。同时将大中小尺度联合起来开展探测,这样的话对我们会进一步了解存在的关键科学问题,对提高我们空间天气预报方法都是很重要的。

郭桐兴:中国太空发展的基本规划思路,大概可以分为哪些部分呢?

刘振兴:现在我们已达到初步的共识,提出了一个路线图。在“十五”期间主要是开展双星探测计划,这开启了我们国家太空探测的新纪元,这是非常重要的基础,也取得了一些经验。在中国国防科委发布的《“十一五”空间科学发展规划》中,与太空物理学有关的两项:一是开展“夸父”计划的预研。

郭桐兴:夸父是不是传说当中的那个神话人物?

刘振兴:就是。在“夸父”计划中,有一颗卫星离地球比较远,150万公里,故称为“夸父”计划。“夸父”计划包括夸父A和夸父B。夸父A有一颗卫星,在日地连线的引力平衡点(离地球150万公里)运行,主要是探测太阳和行星际;夸父B有两颗卫星,主要是探测地球空间暴和极光。总的目标是探测研究日地空间暴和太空天气的整体连锁变化过程。现在夸父计划正在进行预先研究。第二项是充分利用太空科学的国际合作优势,参与中俄火星空间探测计划。经中俄双方讨论并同意,中方在俄罗斯的卫星系中搭载一颗小卫星,称为“萤火一号”,主要科学目标是探测火星空间环境,了解火星大气和水的消失过程。

郭桐兴:今年开始绕月飞行,对行星探测有什么想法。

刘振兴:是的,月球探测是专项。对于行星探测来讲,远一点的探测我们点思路,就是在月球探测的基础上,我们考虑更深层次的探测。2015年到2020年,准备考虑火星计划。行星探测,第一目标还是火星。如果萤火一号发射成功的话,就有一点基础了,我们开始探测火星探测。

郭桐兴:以月球探测作为基础,这是第一步,第二步是实施火星探测,大概在2015年以后吗?

刘振兴:对,在2020年以后,应考虑考虑火星探测。另外我们想在比较远的地方,对一些太阳事件,比如对物质抛射事件开展一些探测,这就比较远了。

郭桐兴:非常感谢您刘老师,各位观众,我们今天非常荣幸地请到了刘老师就太空物理学谈了他这么多精彩的观点和意见。同时也感谢大家收看我们院士访谈栏目,我们在下一期院士栏目里再见,谢谢!

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中科院刘振兴院士漫谈太空物理学

来源:腾讯科技  日期:2015-11-06

中国院士,一份至高无上的荣誉,一份如履薄冰的责任,他们在各自的专业领域辛勤的耕耘,他们不平凡的人生经历折射出智慧的光芒……欢迎大家每周二上午10点锁定腾讯科技院士访谈栏目,和我们一起聆听院士们的心路历程。
腾讯科技讯 8月27日,中国双星计划首席科学家、中国科学院刘振兴院士做客腾讯,漫谈太空物理学,与网友展开互动。
 

中国科学院刘振兴院士(左)与主持人(右)合影

郭桐兴:各位观众,大家好!欢迎大家来到院士访谈栏目,我们今天非常荣幸地请到了中国科学院院士、国际宇航科学院通讯院士、中国科学院空间科学与应用研究中心研究员,中国地球空间双星探测计划首席科学家,中国星簇卫星数据和研究中心主任,国际地磁和高空物理协会中国委员会主席,我国著名的太空物理学家刘振兴院士,刘老师您好!欢迎您!

刘振兴:您好!

郭桐兴:今天我们主要是想请刘老师就太空物理学,谈一下他个人得一些看法和观点。首先想请刘院士介绍一下什么是太空物理学?研究太空物理学对我们人类有什么用途?

刘振兴:我首先谈一下什么是太空物理学。我们中国科学界称太空物理学为空间物理学。现在看起来空间物理学这个名词,对广大听众来讲不容易理解。为什么呢?因为空间这个名字是泛指的,我们经常用“空间”这个名词,比如说房子,要搬一个大沙发,有人就说了你这个房子的空间有多大,能不能放进大沙发等等。于是我感觉,我们称太空物理学会比较容易理解一些。我们这里说的太空,是指地球外层空间的泛指。所谓外层空间,现在看起来,大约是从平流层的顶部50公里左右,一直往上,直到遥远的宇宙空间。

郭桐兴:是这样界定的?

刘振兴:对。但是,因为太空包括的空间范围非常广,因此我们研究的太空物理学根据太空的不同区域,目前我们将太空物理学分为两大分支。

郭桐兴:哪两大分支?

刘振兴:一个分支是日地空间物理,所谓日地空间物理就是指从太阳一直到地球的范围。日地空间包括哪些区域呢?包括太阳的上层大气、日地行星际,再下面就是地球的磁层、电离层或中高层大气。目前国际上已公认,将地球磁层、电离层和中高层大气称为地球空间。

郭桐兴:是不是涵盖了太阳系的几大行星?

刘振兴:没有,这是另外一个分支了。这里我们称为日地空间物理,但目前又细分了一些小的分支。即太阳上层大气物理、行星际空间物理、磁层物理、电离层物理、和中高层大气物理。

就日地空间物理来讲,到底研究什么问题呢?第一,我想笼统地介绍一下太空物理学的研究内容,然后再讲日地空间物理研究的内容。

概括来讲,太阳物理的发展是从1957年第一颗人造卫星上天以来产生的一门新型学科。也就是说,太空物理是利用各种太空飞行器,如卫星、飞船等,对太空中的各种现象的变化,包括物理、化学过程的变化,同时这些变化对人类的活动、生存环境影响进行研究的这样一门新型学科。太空物理学是一种观察科学,它最初的发展是利用太空飞行器进行探测来推动的,笼统来说是这样一个新型学科。为什么要分为这两大分支,因为人类居住的地球也是一颗行星,为什么我们单独把日地空间物理分出来?因为人类居住在地球,地球可说是一颗特殊的行星。因为日地空间对人类的活动、生存环境的影响特别大,所以我们强调把日地空间物理作为一个分支。

那么日地空间物理主要研究什么呢?因为地球的活动变化是直接受太阳的影响,太阳如果发生一些事件,对地球空间非常有影响。因此我们首先研究太阳上的主要爆发事件,这些爆发事件可能有些是大家知道的。比如说太阳耀斑,还有一种很重要的,就是日冕质抛射事件。

日冕就是太阳的上层大气,它如果一旦发生物质抛射,可将百亿吨的质量抛射出来,通过行星到达地球磁层附近。

这个事件非常重要。另外,日冕上经常发生高速流事件。此外,在太阳耀斑和日冕物质抛射事件期间,还出现太阳高能粒子事件。

郭桐兴:这些事件对地球有什么影响?

刘振兴:这些爆发事件是怎样产生的?产生的机制是什么?这是很重要的。第二,这些事件在太阳上发生后,不是老老实实地呆在太阳大气里面,而是往行星际传播,怎么传播过去呢?传播过程中,它的表现形式是怎样变化的?在行星际的空间中是怎么表现的?这方面特别重要。这些活动事件以及它的表现形式,是能够影响地球空间环境的。我在这里强调一下,专门有一个名词叫做“地球空间”,地球空间就是指地球的磁层、电离层和中高层大气。传到行星际的太阳事件,能够影响地球空间环境的变化。具体来说,真正对人类活动的影响是地球空间的爆发事件。

我将地球空间中的爆发事件总称为地球空间暴,包括:,磁层亚暴,磁暴,磁层离子暴,电离层暴,和热层暴。这些地球空间暴,我们也称其为地球空间天气,它会影响到人类的活动,包括航天活动,天基和地面的技术系统,以及人类生存环境的影响。我讲的这些内容,概括起来是日地空间物理研究的主要内容。

刚才我们说分为两个分支,包括日地空间物理和太阳行星空间物理。太阳行星空间物理包括地球以外的几个行星,现在是八个。太阳行星空间物理主要研究什么内容呢?第一个是研究太阳风对行星空间有什么影响。具体来说,研究行星的磁层、电离层和中高层大气的结构和变化过程。
郭桐兴:您谈的太空物理学范围,是不是可以这样理解,是指整个太阳系范围?
刘振兴:对。这两块加在一起就是整个太阳系,研究太阳系的太空物理。同时我们要把地球环境和行星环境进行比较研究,比如说研究行星环境变化的目的是进一步了解地球过去和现在的演化,另外我们要研究在其他行星上是不是存在着水、生命,这和地球环境的研究不一样。

下面我谈一下日地空间物理对人类有什么作用?

郭桐兴:这也是大家最感兴趣的,研究太空物理学,研究日地空间物理对我们人类有什么作用?

刘振兴:人造卫星的发射成功,标志着人类认识宇宙进入了一个新的纪元。从科学研究来讲,对我们的认识、知识和技术的创新,上了一个台阶。过去我们所有实验都是靠地面实验,但我们利用太空的各种手段,进入太空以后就不一样了。太空相当于一个广大的天然实验室,我们发射的这些飞行器,实际上就是在天然实验室中进行实验,因此就大大地开拓了人们的科学实验范围,会了解一些在地面实验室中不能认识到的问题,于是就大大地开拓了我们认识宇宙的视野、对太空资源开发和利用的能力,这方面很重要。因为太空物理学是新型学科,并且是一个交叉学科,它跟很多重要学科有密切联系。比如说天文物理、等离子物理、天体力学、大气科学、地球物理等都密切相关。于是我们这个学科的本身发展,实际上也在推动着其他学科的发展,并且在学科的交叉中还可以产生新的学科。我们这个太空物理学的研究,对人类的活动、生存到底有什么影响?随着科技的发展,人类活动的空间范围越来越大,为了推动我们社会的经济发展,就需要发展一些应用卫星。比如说目前不断发展的通讯卫星、气象卫星、导航定位卫星、资源卫星、海洋卫星等等,这些应用卫星对我们人类的生活影响相当大。比如说通讯方面,看电视的卫星频道,没有卫星,看电视都有一点麻烦。

郭桐兴:昨天我还看了一个介绍,凤凰卫视播了一条新闻,南京点击查看南京及更多城市天气预报的一所中学的电台,直接跟咱们太空站的宇航员进行了九分十九秒的对话。中国中学生向宇航员提出了很多问题,直接进行英文交流。这正好体现了您刚才所说的情况。

刘振兴:比如说气象卫星,现在大家生活、工作都离不开天气。还有导航定位,包括打手机、开汽车都要导航定位,所以说与人们的生活密切相关。资源也是这样。

在粒子暴期间,不同能量的带电粒子,会对卫星系统起破坏作用,例如:单粒子事件,会引起飞行器计算机系统的逻辑混乱,甚而造成灾难性的后果;带电粒子的强辐射剂量,会使飞行器的部件受到破坏;带电粒子可在飞行器不同部位发生充电和放电,致使设备甚而整个系统破坏和失灵。另外,地球空间暴会引起高层大气的密度突然增加,显著影响飞行器的轨道精度和寿命;电离层暴期间,可引起通信中断和显著影响导航和定位的精度;此外,强磁暴期间地面技术设施也会受到影响,比喻说对高电压输电系统和埋在地下的长距离输油和输气管道也会受到破坏。

郭桐兴:您能不能说的稍微具体一点?

刘振兴:加拿大的石油管道和有的是高压输电系统就受到破坏,产生重大的经济损失。我们现在还没有认识到这些,为什么它对输油管道会产生很大的破坏。通过研究可以知道是什么原因引起来的。另外,我们可以对这方面提出科学数据、依据,甚至我们还可以提出一些防护对策。

郭桐兴:可以预告吗?

刘振兴:可以。比如我们的天气预报,我们已经在做这方面的研究了。研究的目的之一,就是为了提高空间天气预报的水平,就跟地面的天气预报一样。

郭桐兴:跟咱们的天气预报相类似?

刘振兴:对。比如说要发射卫星了,但可能有爆发事件,就推迟一天。或者是发生了事故,我们就研究这个事故是什么原因引起来的。我们太空物理学的研究可以对航天活动、天基和地基技术系的安全运行提供科学数据、预报方法,提供防护措施。

我再讲一点很重要的,目前看起来对国家安全也发挥着非常重要的作用。现在的战争已经从陆海空发展到了太空,现在是陆军、海军、空军、太空部队,是立体战争。并且我刚才说的地球空间已经成为了主战场。战争期间,卫星会大量的增加,就相当于指挥部的眼睛和耳朵,都在上面。

郭桐兴:比如说中东战争时期,有几百颗卫星同时观测着地面的目标。

刘振兴:对。如果一旦通讯系统发生故障,那么通讯就会中断。同时精确度非常重要,比如说导弹,美国打伊拉克的时候,为什么打了英国,就是受到了太空环境的干扰,定位定错了,发生了误差。通讯系统、导航和定位系统等,这些都是靠卫星上的设备。

郭桐兴:非常重要,这关系到国防建设和国计民生的安全。

刘振兴:太空物理学研究的目的之一,就是为保障航天活动和国家安全、提高通信、导航和定位的精度提供科学数据、科学依据和防护对策。另外,就是通过研究,提高太空天气的预报水平,为推动国家经济、社会的发展和保障国家安全作出贡献。
郭桐兴:而且跟老百姓的生活息息相关,密不可分。
刘振兴:一个好的太空科学探测计划,会带动各方面技术的发展,因为方方面面的技术都会用到。科学和技术的发展相互之间都是有联系的,相辅相成的。比如说高技术发展必须有一个目标,而科学探测,必然是超前的,前瞻的,必然会提出满足实现科学目标的技术要求,这就为技术专家提出了发展技术的目标、设计的启示和新的思路,从而推动了太空技术的发展。反过来,太空技术的发展,又进一步提高了太空科学探测的水平。

比如上世纪60年代美国提出的阿波罗计划,显著提升了美国的整体技术,推动了各方面技术的跨越发展,这一点也是非常重要的。

郭桐兴:这标志了一个国家科技实力的水平。听您这样说,太空物理学对我们来说是非常重要的一门学科。下面请您介绍一下太空物理学的发展历史,以及太空物理学的研究现状好吗?

刘振兴:我简单谈一下。太空物理学发展的基础就是太空探测,因此标志着太空物理学的发展是对应的探测计划,比如说探测卫星发上去了,探测到了很多新的数据,那必然就会出很多新的研究成果。总体来看,自从1957年第一颗卫星发射上天,一直到现在,它的发展历史可以分为三个阶段。

第一个阶段,大概是从1957年底开始,一直到1970年的中期,这几年是太空物理学的普遍探测阶段。那时候不需要什么计划,因为过去我们对太空一无所知,认为太空就是真空,好像没什么东西。当时苏联是最早的,主要是苏联、美国这两家研究。首先是探测磁层,这里离地球近一点,然后是探测太阳风。这个期间发射了一大量卫星,探测到了一些现象,因为之前对此是一无所知,最早发现的就是地球辐射带,这个辐射带中存在着大量的高能带电粒子,破坏性很大。以前认为都是真空,突然探测到了内辐射带和外辐射带,所谓辐射带就是储存着大量高能带电粒子的区域。我们最怕的就是辐射带。

最早是苏联的卫星先上去,这就是以前科学研究不够的原因,他们认为是测量仪器饱和了,因而不知道这就是辐射带。后来美国的卫星上去了,就看到了内带和外带,高能粒子特别强,现在叫地球辐射带,这个发现非常重要,也是上天以来的首个发现。当然后面陆续也有很多发现,发现了磁层,磁层的结构基本上都清楚了,包括磁尾巴,磁层里面还有很多区域。然后就是太阳风,太阳风的速度、密度,到底有多大,分布大致怎么样,也基本上都清楚了。这个阶段为太空物理学的发展打下了很好的基础。

郭桐兴:大概用了十几年的时间。

刘振兴:对,奠定了一些非常重要的理论基础。第二点,在普查阶段,不管是什么卫星轨道,都放,因为一无所知嘛。后来大家感觉不对,就开始了有计划的探测阶段。通过第一阶段的探测和研究,虽然取得了一些新的发现,为太空物理学研究打了好的基础,但大家意识到,要想进一步了解这些现象的物理过程,必须开展有目的和有计划的探测。下面我概要谈一下太空物理学发展的第二阶段的情况。

(1) 1976-1979年实施的国际磁层研究(IMS)计划

国际磁层研究计划共发射了6颗卫星,其主要科学目标是探测和研究太阳风与磁层的耦合过程。这个计划的重要贡献,是证实了向阳面磁层顶边界层区的稳态重联过程;发现了瞬时重联产生的通量传输事件;发现了极光千米波辐射和电离层上行粒子事件;揭示了无碰撞激波的一些重要特性。

在此期间,理论研究方面取得了大的进展,主要成就是:建立了几个磁层亚暴模式;提出了极光千米辐射理论;建立了几个瞬时磁场重联理论模型。

(2) 1981年实施的动力学计划(DE)

DE计划的主要科学目标,是探测研究磁层和电离层的耦合过程。这一计划推动了极光动力学及磁层—电离层—中高层大气动力学、光化学和电动力学耦合过程研究的发展。

郭桐兴:人们的研究越来越丰富了。

刘振兴:第三个阶段,进入到了对整个日地空间的探测阶段,就是从太阳到地球,把整个日地系统都联系起来。包括太阳上层大气、行星际、磁层、电离层、中高层大气等,都联系起来了。这叫国际日地物理计划,该计划的主要目标是研究日—地系统的链锁变化过程。

郭桐兴:人类研究开始向纵深方向发展。

刘振兴:国际日地物理计划是从1980年开始酝酿,真正启动是1993年开始的,到1996年共发射了6颗卫星,对日地系统的连锁过程有了基本的了解,并取得了一些重要的成果。

郭桐兴:等于人们对日地系统有了一个初步的了解?

刘振兴:有了一个框架的了解。

郭桐兴:还是取得了很大的成就?

刘振兴:对。

郭桐兴:下面请您介绍一下我们中国太空物理学研究的现状好吗?

刘振兴:中国太空物理学的发展,真正的起始也在是在1957年第一次国际地球物理年期间,在这里需要特别提到一个人,就是我的导师,赵九章院士。他非常高瞻远瞩,第一颗卫星发上去以后,他认为对于人类的影响是很大的。在国际地球物理年期间,在他的倡导下,开始了地面系统的建立,比如说建立了廊坊和上海点击查看上海及更多城市天气预报电离层观测台,建立了广州点击查看广州及更多城市天气预报和北京点击查看北京及更多城市天气预报与轴线台。引进了先进的光学仪器等。

目前我国太空物理的地面观测有了很大的进展。在电离层、地磁观测方面,已形成了北起漠河点击查看漠河及更多城市天气预报南至三亚的沿120度的观测链,这是很重要的进展。另外在大气观测方面,我们的几种雷达系统已经基本上建立起来了,包括低频雷达、激光雷达、中高层大气雷达。真正研究是靠天地一体化,另外,我国已建立起气球和火箭的探空系统。自1970年4月24号成功的发射我国第一颗卫星以来,我国提出了太空探测的“实践号”,先后发射了“实践号”一号、二号、四号、五号、六号,这些卫星主要是配合技术的需要,探测空间环境,部分地探测太空科学,这是非常重要的。同时还在气象卫星、海洋等卫星上搭载仪器进行探测。总体来说我们在科学方面取得了一定的科学数据,在航天活动的保障方面起到了重要的作用。

我简单谈一下双星计划,这是我们中国空间探测的一个里程碑,全名是“中国地球空间双星探测计划”,简称“双星计划”。是我国首次以自主提出来的计划开展国际合作的重大太空探测项目。
郭桐兴:实际上这个计划是您首先提出来的。
刘振兴:1997年1月份提出来的,当时提出来也是有背景的。1990年,我代表空间中心向欧空局克拉斯特科学数据系统提出了一项合作建议书,经欧空局科学委员会评审通过的,当时就成立了中国克拉斯特科学工作队,和克拉斯特(包括4颗卫星)数据和研究中心,我担任首席科学家,这是我们一个很重要的基础。克拉斯特是国际日地物理计划的核心卫星,它于1996年发射,结果失败了,当时很多人都哭了。阿里亚那发射的第一次发射的就是这4颗卫星。现在为止克拉斯特仍是国际上首屈一指的.克拉斯特发射失败后,欧空局立即批准新的克拉斯特计划,称为克拉斯特--2。在这期间我认真分析了国际日地物理计划存在的局限性,认为这个计划大部分卫星的近地点都较远,不能覆盖磁层空间暴的重要活动区。根据国家的重要需求和国际发展前沿,我于1997年1月提出了地球空间双星探测计划(简称双星计划)。双星计划提出后,立即受到了国际上太空物理界的重视。欧空局组成了以副局长为首的10人代表团于1997年11月访问了空间中心,欧空局主动提出与中国的双星计划进行合作。这就是中国与欧空局进一步合作的背景。

郭桐兴:地球空间双星探测,我们跟欧空局合作,内容指的是发射六颗卫星?

刘振兴:后来是六颗。中国的双星计划,主要目标就是探测和研究地球空间暴触发过程,这是当前乃至现在最有挑战性的科学问题。

郭桐兴:非常关键,非常富有挑战性的工作。

刘振兴:富有挑战性的问题。是我刚才说的地球空间暴,包括磁层亚暴、磁暴、磁层粒子暴、电离层暴、和热层暴。

郭桐兴:当时欧空局发射的是四颗?

刘振兴:欧空局克拉斯特的4颗卫星是于2000年7月和8月分别发射的。他们主要是探测小尺度的结构,他们的轨道比较远,远地点是20个半径,我们发射的最远的是13个半径,这个非常关键。他们是探测小尺度的,这个最拿手。中国双星或者是与克拉斯特联合起来,可探测大中小尺度。双星与克拉斯特联合探测首次形成了地球空间的“六点星座”探测,过去卫星数量虽然很多,但不能叫做星座探测。第一次形成“六点”探测的标准,有三个条件,第一个条件是我们在六颗卫星上的探测仪器,基本上是相同的,标准是一样的;第二,6颗卫星同时观测,即观测是同步的;第三探测区域是紧密配合的。

郭桐兴:看来,多颗卫星的协调和同步探测对科学俄研究是十分重要的。

刘振兴:是的,这样目的性就强。而以前有的是标准都不一样,这还怎么比较呢。

郭桐兴:不在同一个时间段的数据没有什么可参照的价值?

刘振兴:有的都联系不起来,这还怎么用。

郭桐兴:这个相对来讲比较科学,有相当的可靠性。

刘振兴:对。双星--克拉斯特联合探测在国际上的影响是很大的,双星联合探测所取得的这些数据,已经引发了当前国际磁层研究的热点和新的聚焦点。我们已经取得了一批新的研究结果。

郭桐兴:双星计划推动了我国航天领域的什么技术?

刘振兴:推动了中国的探测技术。一是提高了卫星的剩磁技术,卫星本身是一个大磁体。如卫星的剩磁很大,太空磁场就测步准;二是提高了卫星的等电位技术,防止卫星表面的放电;三是提高了卫星的防辐射技术,因双星大部分时间都穿过地球辐射,必须加强对卫星的各种设备的防护;四是提高了火箭上面级发动机研制技术和火箭发射精度。双星的探测1号(TC-1)是我国首次发射到8万多公里,过去最高是3万6千多公里。

郭桐兴:通过双星计划的实施,我国的某些相关技术有了很大发展,登上了一个新的台阶。

刘振兴:提高了一些。

郭桐兴:下面请您谈一下,对于太空物理学的未来发展趋势您有什么看法?

刘振兴:总体来讲,未来的发展和现在是有关联的,哪些还不了解,哪些就应该进一步发展,发展要突出重点。我想主要有这样几个方面。

第一,进一步加强日地空间系统的协调探测,加强日地空间天气链锁变化过程的研究;加强这方面的连环探测,对这些方面进行进一步的了解。

第二,日地空间和太阳行星空间,这两块要结合起来进行联合探测,不要分的那么清楚,要将地球与太阳系的行星联系起来进行探测和研究。

要加强地球环境和其他行星环境的比较研究,这方面必须得加强。就是通过对行星地研究进一步了解地球,特别是对地球的过去、现在以及未来的演化趋势,了解地球环境到底是怎么变化,可以通过对行星的研究得到一些启示。加强太空环境对人类航天活动,人类在太空中可居住性影响的研究,和人类生存环境的研究。第三,太空探测方面要进一步提高。地球空间方面我们要开展多卫星的探测,跟天气预报一样,适当地布置多卫星探测。同时一些小尺度也非常重要,要进一步发展像克拉斯特那样的就是小尺度探测卫星。同时将大中小尺度联合起来开展探测,这样的话对我们会进一步了解存在的关键科学问题,对提高我们空间天气预报方法都是很重要的。

郭桐兴:中国太空发展的基本规划思路,大概可以分为哪些部分呢?

刘振兴:现在我们已达到初步的共识,提出了一个路线图。在“十五”期间主要是开展双星探测计划,这开启了我们国家太空探测的新纪元,这是非常重要的基础,也取得了一些经验。在中国国防科委发布的《“十一五”空间科学发展规划》中,与太空物理学有关的两项:一是开展“夸父”计划的预研。

郭桐兴:夸父是不是传说当中的那个神话人物?

刘振兴:就是。在“夸父”计划中,有一颗卫星离地球比较远,150万公里,故称为“夸父”计划。“夸父”计划包括夸父A和夸父B。夸父A有一颗卫星,在日地连线的引力平衡点(离地球150万公里)运行,主要是探测太阳和行星际;夸父B有两颗卫星,主要是探测地球空间暴和极光。总的目标是探测研究日地空间暴和太空天气的整体连锁变化过程。现在夸父计划正在进行预先研究。第二项是充分利用太空科学的国际合作优势,参与中俄火星空间探测计划。经中俄双方讨论并同意,中方在俄罗斯的卫星系中搭载一颗小卫星,称为“萤火一号”,主要科学目标是探测火星空间环境,了解火星大气和水的消失过程。

郭桐兴:今年开始绕月飞行,对行星探测有什么想法。

刘振兴:是的,月球探测是专项。对于行星探测来讲,远一点的探测我们点思路,就是在月球探测的基础上,我们考虑更深层次的探测。2015年到2020年,准备考虑火星计划。行星探测,第一目标还是火星。如果萤火一号发射成功的话,就有一点基础了,我们开始探测火星探测。

郭桐兴:以月球探测作为基础,这是第一步,第二步是实施火星探测,大概在2015年以后吗?

刘振兴:对,在2020年以后,应考虑考虑火星探测。另外我们想在比较远的地方,对一些太阳事件,比如对物质抛射事件开展一些探测,这就比较远了。

郭桐兴:非常感谢您刘老师,各位观众,我们今天非常荣幸地请到了刘老师就太空物理学谈了他这么多精彩的观点和意见。同时也感谢大家收看我们院士访谈栏目,我们在下一期院士栏目里再见,谢谢!