11月1日地球空间探测吴季-第2部分
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下面我给大家讲一讲，我们怎么来探测地球空间，首先介绍一下我们探测一些什么，主要是两类东西，一类是物质流动的同量，那么它包括中性气体，带电粒子的分布，以及它们的流量，这些带电粒子在地球空间当中不是稳定的，不是停留在那儿，通常是在变化的，那么要测量它的流量，测量它能量的能谱，最小可以到几个电子伏特，最大的可以到几千兆，甚至几十亿电子伏特，所以这里面能量的流动我们要探测的第一个目标，而且要探测这些能量流动的空间分布。
第二个需要测量的就是它的电场和磁场，因为电场和磁场是驱动这些物质能量流动的根源，所以要测量它电场和磁场的分布和变化。
第三类就是要探测这两类物理量随时间变化的规律，因为我们刚才讲到它是动态的，那么对一个动态的地球空间我们必须要了解，是哪些机制驱动它的变化，它的变化的时间规律是什么，所以这是我们要做地球空间探测的最主要的几个方向。
要做地球空间探测，我们首先要用到人造卫星，今天我们讲的是探测的方法，所以我们不讲具体的探测技术，也就是人造卫星，大家都知道人造卫星在地球空间进行探测的时候，它要在一个轨道上运行，它要达不到这个轨道的运行速度，它就会掉下来，所以它必须要达到第一宇宙速度，人造卫星在运行的时候可以依据不同的规律，走几种轨道，首先一种就是圆轨道，圆轨道当中又有太阳同步轨道，太阳同步轨道的意思是，不管地球怎么转动，卫星的轨道和太阳的关系始终是固定的，你比如说这张图上所画的太阳同步轨道，是一种晨昏的太阳轨道，也就是说它总是在太阳的早晨和傍晚，这个子午面上来转，所以叫晨昏轨道，自然我们还有子午轨道，如果我们把这个轨道转90度的话，它就正好运行子午轨道上，那么这是太阳同步轨道，这是一个圆轨道。
另外一种圆轨道就是地球同步轨道，地球同步轨道就是说，不管太阳和地球是什么关系，卫星和地球的关系是同步的，那么也就是说我们在地球上任何一点，比如说在北京看到的卫星在这个方向，那么在一天24小时之内，这个卫星的位置是不会变动，它跟着地球一起旋转，所以这是另外一种圆轨道，这两种轨道特别适合于做应用，比如说通讯，对地观测，但是不是很适合于做空间探测，为什么，下面我们会看到。
第三种轨道就是椭圆轨道，椭圆轨道有这样一种特性，它在离地球近的时候，速度非常高，在离地球远的时候速度非常低，这样就会出现一种现象，就是说它在远地点附近运行得非常慢，那么它会长时间的停留在远地点附近，这样一种轨道恰好特别适合于我们用来做空间探测，为什么，因为我们要想探测哪个区域，我们就把远地点设计在哪一点，这样卫星就可以（有）大量的时间在远地点附近运行，达到我们探测的目标。
相比之下，圆轨道它在整个轨道上的运行速度是一致的，所以它就不太适合于我们做空间区域的探测，另外需要考虑卫星的轨道，就是我们要考虑它和太阳的关系，假设我们用一种椭圆的轨道对地球进行观测的话，它和太阳的关系就不是同步的，换句话说，我们在冬天的时候，比如说是这样一种轨道关系，那么我们卫星的远地点是停留在背阳面，如果到了春天的话， 远地点是停留在晨昏两侧，而不是在向阳或背阳面，到了夏天的时候，远地点要停留在向阳面，到了秋天的时候，远地点停在晨昏的另一侧，所以说我们在设计轨道的时候同时还要考虑到远地点停留的位置和季节的影响。
我们利用卫星，另外设计了轨道，就要对空间进行探测，我们最感兴趣的区域在哪儿，从这张图上可以看到，因为地球空间非常复杂，我们最感兴趣的区域实际上是在集其区，也就是这里我们看到的上面这个区域，另外还有磁层顶，再一个是磁尾，这几个区域是我们最感兴趣的区域，也就是地球空间变化，产生变化根源的区域，为了探测这些区域，我们希望把探测卫星的轨道，远地点设计在这些区域上。
另外一个在地球空间当中需要探测的，刚才我已经讲了，要探测它的时序关系，也就是说，一旦发生了什么变化，我们希望在不同的空间位置上，探测到它这个事件变化的时间关系，这里可以看到，在2000年7月份发生了一次大的太阳事件，这个太阳事件恰好影响了地球，可以看到，在7月14号的上午10点，我们在地球的同步轨道上，一个卫星测到了高能粒子的能量迅速的上升，但是到了15号地磁场还没有发生明显的变化，那么到了15号的晚上，16号的凌晨，地磁场才发生了剧烈地变化，也就是说地磁暴和太阳的关系中间差了一天的时间，另外后面还有一个恢复期，这时候电离层才发生变化，也就说地球空间的变化它有一个时序的关系，这个时序关系搞清楚了，特别有利于我们了解，到底是哪些区域，助发了这个空间的变化，所以探测地球空间变化的时序关系也是我们探测最主要的目标之一。
那么这里可以看到，在不同的纬度上，在地磁场的测量上也可以看到它的时序是有一些区别的，那么前面我们介绍了什么叫地球空间，地球空间怎么来探测，那么下面我想给大家具体地介绍一两个探测计划，那么实际上主要要介绍欧空局的星簇探测计划，那么在英语里面叫Cluster，它是第二个Cluster计划，那么另外介绍一下中国地球空间的双星探测计划，最后再介绍一下我们中国的一个地面的观测计划。
那么星簇计划是欧空局在（20世纪）80年代，设立的四颗卫星的探测计划，刚才已经讲了我们要探测粒子和场的空间分布最好的办法就是在不同的点来探测，也就是说，我们有四颗卫星来探测，就比一颗卫星来探测要好得多，所以在1986年的时候，欧空局推出了一个四颗卫星编队飞行的探测计划，那么这就是Cluster计划，Cluster有四颗完全一样的卫星，它在一个四边形的轨道上飞行，这个四边形的中心沿着一个大椭圆的轨道，围着地球运动，可以看到，从这张图上可以看到，它在不同的空间位置，还要调整四颗星的间距，在有些位置，比较 精细的位置它调整的间距就变得非常小，在比较远的时候，空间结构尺度比较大的时候，几颗星的位置就要拉开，所以这个计划是非常有意思的计划，特别适合于做三维精细结构的磁场的探测，这四颗卫星是2000年的7月和8月分两次发射入轨，目前运行的情况良好。最近大量的数据下来，已经显示有很多新的科学发现。
那么第二个，我想介绍一下中国的双星计划，刚才讲了Cluster计划，Cluster计划非常好，它可以做三维空间结构的精细尺度的探测，但是也可以看到它四颗卫星编队飞行，它飞过的空间区域仍然是比较小的空间区域，四颗卫星即使拉开也只能拉开几千公里，对这么大的尺度的一个磁层空间，我们希望了解它的整体结构，那么只用Cluster计划很难把整个的磁层空间了解透彻，所以中国的科学家提出要再发两颗小卫星，这两颗小卫星主要的目标是研究磁层的整体结构，这里大家可以看到，这两颗小卫星都是大椭圆轨道，有一颗集其星，它主要要探测集其区，它的远地点就在集其区附近，这是它的远地点，另外一颗星是在赤道面上运行，它的远地点在冬季的时候，它探测的是磁尾，在夏季的时候，它探测的是磁层顶，所以它把重要的，需要探测的空间区域都覆盖进来了，那么这两颗卫星再配和上Cluster计划，就会形成一个非常好的空间探测的整体计划，这个整体计划包括了六颗卫星，有四颗是欧洲的卫星，有两颗是中国的卫星，因为是一个整体计划，我们对这个计划，也要把这个轨道进行优化，那么这是一个Cluster计划和双星计划轨道同时优化的一个结果，可以看到它在整个寿命期间覆盖了所有我们关心的空间区域。
最后我想给大家介绍一下，中国东半球空间环境监测子午链计划，刚才讲的两个计划都是空间的探测计划，我们要测量地球空间，我们不但要测量地球空间的位置，还要测量它的场，在地面上可以很好地测量地球磁场，最好的办法我们当然是把测量的仪器，也就是地磁的测量仪器，沿着子午链的方法来布局，同时我们还要布局其他的一些（测量仪器），包括对大气的观测，对电离层的观测，那么现在，这个计划，已经正在推动的过程当中，我们可以看到在中国最北面的漠河，以及海南岛我们都计划布局测量站，那么另外，通过国际合作，我们可以跟俄罗斯合作，再往北延伸，也可以和菲律宾，印度尼西亚，以及澳大利亚合作，再往南延伸，直到我们南极的中山站，形成一个完整的子午链的观测计划，这个子午链是在东京120度，如果我们想象在东京120度的另一侧，就是西经60度，也布局同样的地面观测设备，会在地球上形成观测的一个子午圈，这个子午圈非常有意义，子午圈的设立可以更加完善空间环境探测，特别是配合了空间探测计划以后，可以解决很多现在还未知的科学问题。
我现在再给大家介绍一下探测地球空间需要的设备以及它们发展的一些趋势，刚才讲到我们探测地球空间实际上是从本世纪初，电离层的发现，也就是用无线电波探测电离层开始，人类开始探测地球空间，但实际上，还有一些更古老的仪器，也就是从一八六几年的时候，甚至更早一点，人类开始研究磁场的时候，就开始研究地磁场，这里我给大家放的几张图可以看到，这个左面的两张图是地磁场的探测，那么有很（古）老的地磁的记录，以及很新的，通过计算机演示出来的很现代化的窗口，显示地磁记录，地磁记录到现在仍然在发展，另外一个，就是无线电来探测电离层，中间这两张图是最（古）老一个，就是我们从本世纪初开始，马可尼用来做电离层探测的非常庞大的一个探测天线，但那时候用的频率非常低，下面一张图，是很新的一个电离层的探测雷达，这个探测雷达天线非常大，它用的频率相对来说比较高，已经用到了微波波段，另外，我们用的空间的手段，刚才讲的两个都是地面的手段，另外就是空间的手段，空间手段就要用卫星，那么右边这两张图可以看到，第一个就是我们国家的“实践5号”卫星，下面一个是国际空间站。
这个探测技术发展也非常非常快，它除了采用了很多新的物理思想以外，在技术上它现在已经采用了很高的计算机的技术，那么大规模的集成电路，以及微波，红外（线），紫外线等等探测技术，另外，就是非常先进的探测技术，左边这张图大家可以看到，这是我们现在技术人员怎么来设计大规模的集成电路，可以看到集成电路里面的元器件是非常非常多的，一个元器件要集成在很小的一个芯片上，右边，是一个很大的射电望远镜，上面是是一个很大的地面的射电望远镜，下面是一个空间探测的卫星计划，刚才实际上已经讲到，地球空间是由太阳磁场和地磁场相互作用形成的，实际上，地球是浸泡在相当�
