[科普中國]-空間物理

基本信息

空間物理是1957年人造衛(wèi)星發(fā)射成功后迅速發(fā)展起來的一門新興的多學(xué)科交叉的前沿基礎(chǔ)學(xué)科。近50年來，空間已成為人類生存的第四環(huán)境，其重要性日益突出?？臻g物理主要是利用空間飛行器作為手段來研究發(fā)生在宇宙空間的物理、化學(xué)和生命等自然現(xiàn)象的一門前沿科學(xué)，包括了空間物理學(xué)、空間天文學(xué)、空間化學(xué)、空間地質(zhì)學(xué)、空間材料科學(xué)和空間生命科學(xué)等分支。

研究方法激光雷達(dá)對(duì)于高層大氣的研究，最常使用的是激光雷達(dá)。

儀器對(duì)于日冕的研究，使用的儀器有天文望遠(yuǎn)鏡、日冕儀、衛(wèi)星等。

數(shù)值模擬對(duì)于磁場的分析，最主要的是利用計(jì)算機(jī)實(shí)現(xiàn)數(shù)值模擬。

分支學(xué)科高層大氣物理學(xué)研究距地球表面50公里到2000公里的空間區(qū)域的物理現(xiàn)象。覆蓋整個(gè)地球的大氣質(zhì)量約為5.3×1021克，其中90%聚集在離地表15公里高度以下，99.9%在距地面48公里以內(nèi)。地球大氣的密度、壓力、組分和電磁特性都隨高度而變化，高層大氣物理學(xué)研究的內(nèi)容與人類的空間活動(dòng)、軍事活動(dòng)和科學(xué)研究有著密切的關(guān)系。

電離層物理學(xué)研究發(fā)生在電離層中的電離過程、動(dòng)力學(xué)和光化學(xué)等物理過程。地球高層大氣中的分子和原子受太陽產(chǎn)生的電磁輻射與粒子輻射的作用，其外層電子會(huì)脫離分子和原子的束縛而電離出來，從而使大氣中出現(xiàn)大量的自由電子、正離子和負(fù)離子，形成從宏觀上仍然是中性的等離子體區(qū)域，叫電離層，它處在離地表大約60公里至幾千公里高度的一個(gè)確定空間。由于電子密度不同，電離層可分成D層、E層和F層。電離層中的帶電粒子在外加電磁場的作用下會(huì)發(fā)生振動(dòng)，產(chǎn)生二次輻射，同原來的無線電波外加場矢量相加，使電波向下折射而傳播。超短波（30～300兆赫）的散射傳播會(huì)穿透電離層，可用于地面和空間飛行器之間的跟蹤定位、遙測、遙控和通信聯(lián)絡(luò)。等離子體技術(shù)在空間技術(shù)（例如等離子體推進(jìn)）、氫彈及受控?zé)岷朔磻?yīng)、磁流體發(fā)電等各個(gè)方面都有實(shí)際應(yīng)用。

磁層物理學(xué)磁層物理學(xué)是二十世紀(jì)六十年代初誕生的一門重要的新興學(xué)科。地球是一個(gè)磁體，地磁場與一個(gè)棒狀磁體的磁場（偶極場）相似。磁層的存在對(duì)人類進(jìn)行空間活動(dòng)有很大的影響。磁層中的粒子（主要成份是質(zhì)子和電子）與物質(zhì)發(fā)生作用時(shí)。可以引起電離、原子位移、化學(xué)反應(yīng)和各種核反應(yīng)。從而容易損傷空間飛行器、人體和材料等。為了確保航天飛行的安全，必須加強(qiáng)對(duì)磁層的研究。

星際物理學(xué)行星際空間是太陽系內(nèi)行星之間的空間，星際物理學(xué)研究行星際物質(zhì)的分布、密度、溫度和磁場等物理性質(zhì)。它闡述太陽風(fēng)（太陽拋出的高速帶電粒子流）和太陽磁場的形成、運(yùn)動(dòng)、在行星際空間的分布以及對(duì)其他行星際物質(zhì)的作用，這些對(duì)推測太陽系的起源、演化都有重要的作用。

行星大氣物理學(xué)研究太陽系中行星大氣層的組成結(jié)構(gòu)以及物理效應(yīng)。太陽系中，水星、金星、木星、火星、土星、天王星、海王星周圍，都有一定的大氣環(huán)繞，其分層類似地球大氣分層。冥王星有無大氣，至今不能斷定。

行星磁層物理學(xué)行星磁層物理學(xué)主要研究的是行星磁層。行星磁層是由太陽風(fēng)與行星磁場的相互作用，行星磁場被限制在一定的空間區(qū)域而形成。

宇宙線物理學(xué)來自宇宙空間的各種高能微觀粒子——質(zhì)子（氫原子核）、α粒子（氦原子核），電子、中微子和高能光子（X射線和γ射線）稱為宇宙線。宇宙線物理學(xué)研究的是宇宙線的來源、傳播及與星際空間的相互作用，是研究天體演化的一個(gè)重要途徑。

太陽物理學(xué)太陽物理學(xué)包括太陽大氣研究、日震學(xué)、天體物理學(xué)等方面。主要研究日冕物質(zhì)拋射的形成、演化過程以及對(duì)行星際磁場和地球磁層、電離層的影響。太陽物理學(xué)的研究手段是用人工日食或者利用衛(wèi)星觀測的方法研究日冕的變化以及位形，利用編程技術(shù)重構(gòu)日冕模型，得到三維的日冕結(jié)構(gòu)圖像，并作進(jìn)一步分析。

空間物理發(fā)展概況國際發(fā)展概況空間物理研究開始于地基監(jiān)測，人類很早從極光、氣暉、天電、潮汐等現(xiàn)象開始了地面的觀測研究，隨后利用氣球、火箭進(jìn)行了臨近空間的探測。空間物理的發(fā)展隨著航天技術(shù)和空間探測技術(shù)的發(fā)展而迅速發(fā)展起來。從20世紀(jì)中期的半個(gè)世紀(jì)以來，人類發(fā)射了數(shù)百個(gè)航天器用于空間物理探測。國際空間物理探測發(fā)展可大體分為三個(gè)階段：發(fā)現(xiàn)和專門探測階段（20世紀(jì)60年代初到80年代末）、將日地系統(tǒng)作為一個(gè)整體來研究的階段（20世紀(jì)90年代）和將太陽-太陽系作為一個(gè)有機(jī)整體來研究的階段（21世紀(jì)）。1

我國發(fā)展概況我國空間物理的觀測與研究，主要是從1957年國際地球物理年以后在我國著名科學(xué)家趙九章院士等老一輩科學(xué)家的倡導(dǎo)和組織下發(fā)展起來的。50多年來，我國空間物理的觀測已發(fā)展成了地面、氣球、火箭和衛(wèi)星的觀測系統(tǒng)，為開展空間物理研究打下了基礎(chǔ)。2