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“行星地球〞视角下的空间物理学,天文学论

文

摘要：空间物理学日趋成熟，既丰富了人类对地球和行星

空间的认识，也引申出更具挑战性的问题。一些牵涉行星演

化问题的解决倚赖与其他学科的穿插探寻求索，要求研究者

从行星地球的视角出发，把地球视为一个从地核到磁层的多

圈层耦合系统。作为系统外层环节的空间环境，华而不实的

问题可通过比拟行星研究的思路找到突破口。基于学科穿插

的比拟行星空间物理研究将是将来空间物理学的一个重要

发展方向。阐述比拟行星空间物理研究的思路和必要性，梳

理研究现在状况，并瞻望研究前景。

关键词：空间物理；磁层；电离层；行星；比拟

行星学

1空间物理研究的挑战和机遇

空间物理学主要研究空间环境中的物理经过，其发展得益

于人们对于空间中各种现象的好奇心所驱动的探寻求索行

为。纵观数千年来世界各地文明流传下来的史料，围绕极光、

气辉、慧尾、黑子等具有视觉冲击力的空间现象，观测记录

数量愈益丰富，认知思辨水平逐步提高，衍生出多种具有地

域特色的人与自然文化体系，并以神话、传讲、礼仪、哲学

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等形式传承至今。尤其是封建时代的中华文明，长期推崇天

人合一的理念，使得包括空间现象在内的各种天象成为

影响文明进程的一个重要因素。例如，极光和慧尾等现象往

往与民族兴衰、王朝更迭、邦交征伐等重大历史事件联络起

来[1].由于观测和记录行为具有政治严肃性，很多较为显着的

现象被具体记录下来，成为了解空间环境长期变化的重要参

考资料。例如，公元1645-1715年欧洲和亚洲的极光观测记

录同时大幅减少，成为孟德尔极小期存在的重要佐证[2].

空间物理学的构成与发展依靠观测技术的进步。尽管地面观

测已持续数千年，人们始终无法知晓空间中物理经过的触发、

发展和变化机理。直到近期100多年，磁强计、电离层测

高仪等地面观测设备的持续运行，探空气球、火箭和大功率

雷达技术的不断进步，使得人们终于告别裸眼观测的时代，

本质上提高了认知空间的能力。20世纪50年代末期，人

造卫星及其搭载的场和粒子探测仪器实现了空间实地探测，

促成了空间物理研究的飞跃，使其能够从地球物理、大气物

理、天文等学科的穿插状态中发展起来，构成一门独立的学

科[3].时至今日，空间物理研究者已经把握了地球空间环境中

各个区域的电磁场和粒子的平均特征及其最主要的变化规

律，并在一定程度上理解了背后的主要物理经过；对行星

际空间的安静和扰动状态也有了全局性的了解，并具备了初

步的预报能力；对太阳系其他行星的空间环境有了基本认

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识，并能够归纳出其与地球空间环境的主要异同之处。假如

把理论体系架构的基本完善作为学科成熟的标志，那么能够

以为空间物理学正处在一个接近成熟的阶段。

当下空间物理发展阶段具有与其他学科同阶段的类似特征。

外表上看，经过数十年的观测数据和相关知识的积累，论文

产出量加速增长，研究似乎变得越来越容易。实际上是研究

难度持续增加，瓶颈效应越来越明显。能够从空间探测和

研究行为两方面来理解这一特征。

从空间探测来看，主要具体表现出在从基于单卫星计划的

普查式研究过渡到基于多计划的针对性研究。20世纪

60年代前后属于早期探寻求索阶段，地球空间