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磁层一电离层一热层耦合的空间探测需求分析 中国科学院国家空间科学中心 刘勇 王赤 徐寄遥磁层一电离层一热层是等离子体与中性气体共存、彼此紧密耦合的复杂系统，是太阳剧烈活动引起灾害性空间天气的主要发生区域，对于人类航天活动的安全及导航通信系统的正常运行有着重要影响。对该区域的探测研究蕴涵重大的科学意义并具有重要的应用前景。本文总结了国际和国内开展的磁层、电离层、热层的空间探测研究，分析了已经实施的研究发现的一些关键科学问题，对未来研究磁层一电离层一热层耦合的卫星探测计划提出了初步设想。一、国际上的磁层一电离层一热层耦合的空间探测研究在20世纪50年代以前，对空间的探测主要是地基探测和火箭探测为主，对地球空间的认识十分有限。1957年10月前苏联在人类历史上首次发射第一颗人造地球卫星，开始了日地空间探测的新纪元。大量的空间物理现象相继发现，空间探测的规模逐渐增大。从上世纪80年代以来，国际上知名研究机构如美国航空航天局(NASA)、欧洲空间局(ESA)、日本宇宙科学研究所(ISAS)、前苏联空间物理所(IKI)等在自主研发各类探测仪器和扩展空间探测范围的基础上，有意识地加强与各国研究团体之间的合作，并且制定了一些长远的日地空间探测计划，如“国际日地物理” (ISTP)计划、 “国际与日同在” (ILWS)计划等。探测范围包括日球层、磁层、电离层和中高层大气区域。结合地面观测，国际上还提出过诸如“日地能量计划”、“地球空间环境建模计划”、 “空间天气计划”等。这些研究计划的目的是：了解日地空间环境的物理过程、理解日地物理科学规律、促进物理机制研究、开展空间天气预报模式的研发、进行技术转化和应用。随着空间探测的不断深入，人们逐渐认识到磁层、电离层和热层大气是紧密耦合的复杂系统。太阳活动通过一系列的复杂过程可以引起该系统整体或者局部的剧烈扰动，如发生磁暴、电离层暴和热层暴等。另一方面，电离层和热层又受到来自下面的中低层大气的影响。对磁层、电离层和热层大气的探测研究是认识日地耦合系统的关键环节。该区域是重要的航天活动区域，对于人类航天活动的安全至关重要。因此关于磁层、电离层和热层大气的探测和研究得到了广泛的关注，各国科学家们一直在努力进行不懈的探索。1国际上的磁层、电离层和热层研究从上世纪70年代以来，国际上开始了较大规模的空间探测，发射了一系列的卫星，分别对磁层、电离层和中高层大气进行探测研究。例如：1981年美国发射了“动力探索者” (DE)1、2卫星，分别对极光、地磁场、电离层电场以及大气密度和温度等进行了观测。随后发射的“国防气象卫星计划” (DMSP)、 “快速极光拍摄探测器” (FAST)、 “极地” (Polar)、 “磁顶到极光全球探测卫星成像器” (IMAGE)等卫星对地球的极光进行了一系列的观测，提供了大量的极光分布探测资料。特别是IMAGE卫星，是世界上第一个对地球磁层进行全面的全球成像的科学卫星，成像探测包括：全球极光EUV/FUV紫外成像，全球等离子体层EUV辉光成像，环电流与电离层上行离子的能量中性原子(ENA)成像等，发现了等离子体层动力学过程一些有重要意义的新现象。FAST卫星重点对较低高度极光加速区带电粒子和电、磁场进行高分辨率实地测量，以揭示极光区粒子的微观加速过程和物理机制，并提供了一些宝贵的氧离子上行源区的数据。DSMP卫星系列搭载有离子漂移计和能量粒子探测器，为研究极区电离层等离子体对流和低纬电离层漂移以及极光粒子沉降提供了极为宝贵而丰富的长期观测资料。1991年发射的“高层大气研究卫星”(UARS)以及2001年发射的“热成层一电离层一散逸层一能量力学与动力学”(TIMED)卫星对中层以及低热层大气的化学成分、温度以及风场进行了探测。2012年8月，美国发射了“辐射带风暴双探头” (RBSP)卫星，集中对辐射带进行探测，研究其中的高能粒子产生的根源。美2015年将发射“磁层多尺度任务” (MMS)，用5颗卫星配合研究磁尾的磁重联过程。如果成功实施，这些研究成果将会进一步增强人类对磁层、电离层和热层中的物理过程的认识。2国内的空间探测计划进入21世纪以来，我国在地球空间科学研究的卫星探测方面也有了重要的进展。以刘振兴院士为首的科学家团队提出的“双星”计划是第一个以自己提出的探测计划为主导并开展国际合作的重大科学探测项目。 “双星”计划的两颗卫星与欧空局“星簇” (Cluster)2的4颗卫星相配合，在人类历史上第一次实现了对地球空间的“六点探测”，对地球磁层的多时空、多尺度进行探测研究，重点研究磁层空间暴，包括磁层亚暴、磁暴和磁层粒子暴等物理过程。 “双星”计划之后，以涂传诒院士为首的科学家团队又提出了“夸父”卫星探测计划。该计划探测太阳风的物理参数和极光的演化过程，通过极光和太阳风的同时探测研究太阳活动对地球空间的影响。在地基空间探测方面，我国科学家也进行了不懈的努力，以魏奉思院士为首的科学家团队提出的空间探测子午圈计划以及国际子午圈探测计划，对地磁、电离层和中高层大气进行多手段、多层次的综合地基探测，有望与卫星观测配合形成天地一体化的空间环境监测体系。3未来的探测规划和趋势尽管科学家们已经对地球空间进行了大量的探测，但是到目前为止，国际上还没有实施过专门用于磁层一电离层一热层大气耦合探测和研究的卫星星座探测项目。随着空间天气学研究的深入和定量化需求，对磁层一电离层一热层大气耦合的研究已成为国际上研究的重点和前沿课题，对该领域的研究引起了科学家们极大的重视。对地球空间各层之间的相互作用进行综合的观测是目前国际上科学卫星探测的重要趋势。目前国际上正在积极制定未来卫星探测计划。美国NASA在2005，2035年太阳系探测规划中确定其主要目标是探测日地系统，了解太阳及其对地球的影响，了解太阳系和人类活动的空间环境，计划从多层次、多物理角度上进行日地空间环境的探测，并将磁层一电离层一中高层大气耦合探测和研究列为重要的研究方向之一。另一个重要的发展趋势是空间物理的探测已到了多点、多时空尺度的时代，也就是对地球空间的复杂物理过程进行多颗小卫星的协同观测，它已成为研究地球外层空间各层之间耦合的重要探测方法。多颗小卫星有利于全球尺度的和多时空的同时探测，这对于空间科学研究是十分重要的。同时，小卫星星座的探测是一种具有低成本高科学回报的探测方案。NASA已在2005年成功试验了ST5小卫星星队；2007年2月成功发射了“西弥斯”(THEMIS)编队。它由5颗卫星组成，研究在全球和流体尺度上的磁层动力学过程，特别是亚暴的触发机制；计划在2015年发射由5颗卫星组成的MMS编队。MMS卫星编队将用于研究电子和离子尺度的空间物理现象，特别是磁场重联。欧洲空间局正在制定20152025年的“宇宙愿景”计划，并积极与日本合作开展研究磁场重联的多尺度卫星编队计划。这一计划由1012颗卫星组成，同时研究大中小三重尺度上的空间物理现象。而日本宇宙航空研究开发机构(JAXA)正在研究由一颗母卫星和4颗子卫星组成的SCOPE计划。综上所述，对地球空间进行综合的、全球尺度的和整体的星座探测研究也应该成为我国未来空间科学探测的趋势和努力的方向。二、磁层一电离层一热层耦合研究的必要性近30多年来，磁暴以及磁层亚暴期间，磁层一电离层一热层之间的耦合一直是日地空间物理研究中最具挑战性的科学问题。到目前为止，国际和国内空间物理学界对磁层一电离层一热层之间耦合的物理过程和相关的物理机制仍缺乏足够的了解。目前，通过一系列的卫星原位测量、地基遥感观测和理论模式分析，对磁层一电离层一热层耦合的能量学、动力学和电动力学研究取得了较大进展。太阳风和行星际磁场中携带的能量、电场和动量通过磁重联和其它过程输运到磁层中，这些能量和动量从磁层进一步沉积到热层和电离层中。沉积效应在亚暴和磁暴期间尤其强烈。另一方面，从磁层中映射到热层和电离层中的电场在高纬地区驱动电离层中的离子对流，并对热层进行加热，从而改变全球中性风环流。中性风环流通过中性风发电机效应又反过来影响全球磁层电流系统。此外，与场向电流相关的极光粒子沉降增强了热层大气的电离，进而改变电离层的电导率。电离层电导率的改变不仅对局部的离子一中性气体耦合有重要影响，而且对全球磁层的电流系统以及造成灾害性空间天气的磁层亚暴和磁暴的形成和演化都有重要影响。然而，对磁层一电离层一热层系统中质量耦合过程的研究相当缺乏，现有的卫星计划对磁层一电离层一热层耦合区域没有进行过系统的、全面的和专门的观测。这一区域包括全部的高纬地区并涵盖了从大约200公里到10个地球半径的高度范围。一些地基观测在一定范围内给出了质量耦合过程一些非常有价值的信息，但遗憾的是，地基观测不能覆盖所有关键的质量耦合区域。对质量耦合过程的研究必须依靠卫星观测。多年来，有少数卫星对部分区域进行过一些零星的观测，为我们提供了磁层一电离层一热层系统中质量耦合方面的一些信息。比如质量耦合的核心问题之一，从电离层到磁层的上行O+离子逃逸就是40年前观测到的。不过，由于缺乏系统、全面的观测，目前我们对质量耦合的了解仍然非常有限。至今，磁层一电离层一热层系统中的质量耦合，包括从电离层到磁层的O+离子上行，仍然是我们要解决的一个重要问题。这不仅对我们了解O+离子的神秘上行和加速行为本身有重要意义，而且对我们了解和预报太阳风和行星际磁场的变化对磁层一电离层一热层系统的影响也有重要作用。另外，对上行离子的探测研究在太阳系演化历史和行星比较学研究方面也具有重要意义。目前人们认为类地行星如金星和火星因为没有内在磁场，太阳风和行星大气直接作用而导致了水和大气的逃逸。正因为金星和火星失去了水才造成这两个类地行星和地球的最大不同之处。通过几十年来人们对金星和火星的研究，人们比较公认金星和火星的大气粒子逃逸率为每秒l0231025个粒子。但近几年来，通过对FAST和Cluster数据的研究，人们发现地球的大气粒子逃逸率竟达到每秒l026个粒子，似乎比没有内在磁场的金星更多。这些粒子逃逸渠道主要在地球极区，但由于地球极区观测数据有限，对上行及下行粒子通量观测并不完善，所以地球大气逃逸率还有待进一步验证。制定一个卫星计划研究上行粒子，通过对地球极区进行前所未有的观测，我们将得到比较可靠的地球大气粒子逃逸率。我们将有可能回答太阳系行星大气演化的一个新问题：行星内在磁场是在阻碍还是在加速行星大气的逃逸？三、磁层一电离层一热层耦合探测的初步设想由于磁层一电离层一热层耦合的涉及区域很广，利用单颗卫星无法解决这些科学问题，小卫星星座探测是唯一能够对磁层一电离层一热层耦合进行探测研究的有效方案。从技术角度上讲，在我国开展多点卫星星座的探测研究对我国空间科学与技术追赶国际领先水平有着极大的推进作用。极区上行离子的起源和加速机制是磁层一电离层一热层耦合研究的关键，也是我们制定卫星计划的关键。为了研究不同高度的上行离子的变化和加速机制，我们在进行设定的卫星星座设计时需要使卫星满足以下的约束条件：1轨道设计使得卫星有尽量多的时间在磁纬70。以上的地区。现有的研究表明，绝大多数上行离子事件都发生在这个区域；2卫星轨道需要相互配合，使卫星能同时处在上述区域的不同高度上，对不同高度中发生上行离子的机制以及它们之间的相互影响进行全面研究。现有的研究表明，不同高度上行离子加速获能的物理机制不相同。通常说来，1000公里以下是离子上行的源区，主要的加速机制是光电子加热和粒子沉降加热；1000公里到2Re（Re是地球半径）主要的加速机制是波粒相互作用和平行电场加速；2Re以上的主要加速机制是平行电场和离心力加速。我们需要卫星同时处在极区这3个不同的高度范围内进行协同观测。此外，卫星上搭载的仪器也需要是为探测磁层一电离层一热层耦合过程、观测与上行离子相关的物理参数而专门设计的，包括低能量段不同离子的三维分布函数、中高能段粒子的能谱分布及电磁场和电磁波。低能量段离子的速度分布反应了上行离子的速度，其它能段的粒子以及电磁场和电磁波是上行离子可能的能量来源。四、结语从我国科学研究的可持续发展现状来看，随着我国国力的迅速提高，我国空间科学研究的国际地位也在不断提高，已经成功实施了“双星”探测计划和载人航天，正在进行探月计划，将要实施“夸父”卫星探测计划。这些计划都得到了国际同行的高度评价。为了实现我国空间科学研究事业的可持续发展，非常有必要制定未来探测的方案。制定一个研究磁层一电离层一热层耦合的卫星探测星座计划，对提高我国空间科学研究的地位，使我国的空间科学进入国际最先进的行列具有非常重要的意义，因此也是我国空间科学研究有必要开展的项目。 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