地球空间暴与地球空间双星探测计划山西 寿阳一中 张泽元2010 月 26 日，在第 58 届国际宇航联大会开幕前夕，在国际宇航科学院（International Academy of Astronautics, IAA 举行的年度奖励晚会上，我 国地球空间双星探测计划与欧洲空间局星簇计划联合团队获得了 2010年度的杰 出团队成就奖（The Laurels Team Achievement Award，该奖是国际航天领域 极高的荣誉2011年1月14日上午，中共中央、国务院在人民大会堂隆重举行 2010 年度国家科学技术奖励大会上，地球空间双星探测计划（简称双星计划） 获得2010 年度国家科学技术进步奖一等奖什么是地球空间计划，这个计划有 什么意义，它是基于什么样的背景，下面我们给大家做一些简单介绍一．项目概述 什么是双星计划双星计划于2002年10月由国务院批准正式立项，是中国第一个以科学目标 立项的卫星计划，也是中国第一个与航天先进国家的重大国际合作项目该计划由中国国家航天局实施，欧洲空间局星簇计划团队参与的重要空间科 学计划该计划和欧洲空间局星簇（Cluster）计划共6颗卫星提供了前所未有 的对地球空间的探测能力。
双星计划由两颗卫星组成，即探测1号（TC-1）和探测2号（TC-2）这两颗卫星分别运行 于近地赤道轨道和近地极轨轨道（如 图）星簇计划由4颗相同的卫星组成 四边形编队，星间距离可在数百到数 千公里之间可调，运行在较高的地球极 轨轨道上这6颗卫星形成了人类历史 上首次对地球空间的6点协调探测二．科学探究为那般 双星计划的目的由于人类居住的地球， 因而日地系统是人类活动产生直接影响的天体系统日地系统包括太阳上层大气、日地行星际空间、地球磁层、地离层 和高中层大气，其中地球磁层、电离层和高中层大气 ，又称地球空间双星探测计划”主要是利用两颗不同轨道的地球空间探测卫星对地球空间 环境进行探测研究赤道区卫星，主要探测近地磁尾区的磁层空间暴过程及向阳 面磁层顶区太阳风能量向磁层中的传输过程；极区卫星，主要探测太阳风能量和 近地磁尾区能量向极区电离层和高层大气的传输以及电离层粒子向磁层中的传 输过程两星相互配合，构成具有明显创新特色的星座式独立探测体系，可以对 地球空间暴发生机制和发展规律进行立体探测，此项研究将有助于探测近地赤道 区和近地磁层活动的电磁场和能量粒子的时空变化规律，系统研究太阳活动、行 星际扰动触发磁层空间暴和灾害性地球空间天气的物理过程，以便建立地球空间 环境动态模型，研究相应的预报方法，为空间活动的安全以及人类生存环境的维 护提供科学数据和相应对策。
现代和未来的空间战和信息战，离不开对地球空间天气和环境的了解和预 测研究地球空间暴的形成和演化过程及预报模型，还可为空间灾害天气预报提 供理论基础，为建设航天环境保障体系提供科学数据，具有重要的应用前景 对这些现象和物理过程的研究，可以推动空间天气和行星空间环境比较研究的发 展，同时带动其他相关学科（如太阳物理、天体物理），特别是等离子体物理学 的发展科学背景 地球空间知多少地球空间是继陆地、海洋和大气层之后，与人类活动息息相关的“第四领 域”它是人造地球卫星、载人航天、航天飞机和空间站的飞行区域，是目前人 类开发和利用太空资源，从事对地观测与太空科学试验、进行太空军事进攻与防 御的主要活动领域40 多年前，绝大多数科学家都认为地球除了接受太阳光辐射的惠泽外， 几乎是在一个空无一物的真空中孤寂地运行着，现在这种观念已经根本地 改变了如果说地球是行驶在一种电离气体 ——等离子体的海洋里， 在充满 各种能量的等离子体洪流中行使着，人们也许会感到惊奇但地球确实就 在这种 “海洋里 ”，每时每刻都经受着平均风速达 400 公里/秒太阳风等离子 体吹袭虽然你没有听到风吼，也感觉不到房里和大地的摇动，但是这狂 风确实强烈地影响了地球：在地球的两极区，会突然有极光从天空上垂挂 下来；地磁场会发生了激烈的扰动；无线电通讯会突然中断；卫星上的仪 器会莫名其妙的损坏了； 地面上长程输电线路感应到了新的电流 ……这些现 象都与地球外空发生的某些物理过程有关。
在太阳活动和行星际扰动影响下，地球空间经常发生爆发性的剧烈扰动科 学家将这些扰动统称为地球空间暴，主要是磁层亚暴、磁暴、磁层粒子暴、电离 层暴和热层暴，它们是最主要的空间灾害天气迄今发生的6000 多起的卫星故 障中，大约 40％是由空间环境异常引起的地球空间暴是产生航天器故障、威 胁宇航员安全、导致通信中断和影响导航与定位精度的主要原因磁场能使我们的地球避免太阳风的侵害 我们可以观察到近地空间一些 太阳风与地球磁场交汇的层面与边界太阳风与地球磁场相互作用的第一 个现象就是在地球向阳面空间中产生的冲击波，这个弓形冲击波的形成就 像超音速飞机的穿越音障时减速而激发起的音爆轰鸣一样地球外空间的 弓形波层是由于超音速太阳风接近与地球磁场屏障时突然减速而产生的在地球磁场保护下的空间区域被称为地球磁层地球像湍急河水中的 一座孤岛一样可以使它周围的粒子流改变方向当粒子流冲刷过地球时， 磁层突然间被塑造成一个大头向太阳方向、尾部（磁尾区）长达数百万公 里的蝌蚪形状磁层空间的边缘称为磁顶层当太阳活动剧烈时，受到强 大太阳风的压力，磁顶层被挤到距地球 35.000km 的高度但是，地球磁场有两个防御薄弱的地方，这就是地球的南极和北极。
太阳风的粒子流可以从这两个地方沿着磁力线螺旋下降当这些带电粒子 与上层大气相撞时，就产生了极光现象地球空间在太阳活动的影响下经常处于剧烈的扰动状态中，称为地球 空间暴其中磁层空间暴是地球空间暴的最重要部分，也是一些其它地球 空间暴的产生源头这些与人类活动密切相关的磁层空间暴的产生机制和 发展规律目前还不为人类所了解地球空间双星探测计划的科学目标就瞄 准了这一最有挑战性的重大科学问题四．双星计划的科学目标 锁定空间不放松1 、全面了解地球空间环境联锁变化的物理过程 ，探测近地磁层场和粒 子时空变化的因果关系，揭示新的现象，深入研究磁层空间暴（磁层亚暴、 磁暴和磁层粒子暴）的触发机制，建立符合实际的磁层空间暴物理模型和 预报方法，认识地球空间环境的全球变化过程，预计在这一领域可取得原始性创新成果2、 推动空间天气预报的发展 地球空间暴是灾害性空间天气的主要表现形式，这正像一般天气中所 说的冰雹、暴雨、暴风和台风等那样本项研究可为空间天气预报建立理 论基础和提供预报方法，推动空间天气预报的发展3 、推动行星空间环境比较研究的发展空间物理发展的趋势之一，是将地球空间环境和其他的行星空间环境 结合起来，进行行星空间环境的比较研究。
太阳对地球空间环境的影响与 太阳对其他行星空间环境的影响有些相似之处，本项目的研究可为开展行 星空间环境比较研究建立基础4 、带动相关基本物理问题研究的发展 探索地球空间暴多尺度结构相互作用的全球过程，包括一些重要的基 本物理问题，如无碰撞激波，无碰撞等离子边界层，磁层重联，等离子体 反常输运，粒子的加速和加热等这些物理问题，有些是在地面的实验室 中不易研究的对这些基本物理问题的研究和解决，不但可推动空间物理 的发展，而且还可推动相关学科（如太阳物理、磁流体力学、等离子体物 理和磁流体力学等）的发展五．进展与未来 无限风光在险峰从 2004 年到 2007 年，两个计划的联合科学运行引起了国际空间科学 界和公众的极大关注经过国家和中国科学院主管部门近期通过的评审和交付验收，认为探 测二号卫星与探测一号卫星及 CLUSTER 四颗卫星进行很好的联合观测活动 各项科学探测仪器工作正常，有效载荷探测仪器符合科学目标要求有效 载荷公用设备工作状态正常，能够及时和有效地采集、存储和下行探测数 据双星地面数据系统工作正常，指令流和数据流畅通已经获得大量的 科学探测数据 （TC-1 获得一级数 45.45Gb ，TC-2 获得一级数据 11.51Gb） ， 探测了辐射带、北半球的等离子体层环电流区域及近地等离子体片的高纬 区域、北尾瓣、极隙区、南半球的极光椭圆带、极盖区、环电流区和近地 等离子体片的粒子沉降区等重要空间区域的高能粒子、低能粒子、磁场、 波场和中性原子的空间分布和时间演化过程，现已取得一些初步的新结果， 如磁尾等离子体片中的大尺度振荡，太阳风中的离子密度空洞，持续数小时的脉 冲调制磁重联和中子星的壳层破裂。
另外，双星还与NASA的IMAGER卫星一起， 探测2号卫星还第一次实现了从南北两极对内磁层的同时成像探测，对我国空间 科学卫星事业和科技进步产生了重大推动作用，国际影响重大预期 TC-2 卫星与 TC-1 卫星及 CLUSTER 四颗卫星配合探测，所获得的 大量观测数据对于揭示磁层空间暴的物理机制及其对太阳活动和行星际扰 动的响应过程具有重要的科学意义。