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空间科学

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  主要利用空间飞行器来研究发生在宇宙空间的物理、天文、化学和生命活动等自然现象及其规律的科学。空间科学与天文学、地球物理学等学科有着悠久的历史渊源,但作为一门独立的综合性科学领域,是在空间技术有了巨大的进展、人类开创了空间时代的条件下,才形成和发展起来的。
  发展简史  历史渊源  自古以来,人类就向往着宇宙空间。在漫长的岁月里,先辈学者倾注了很大的精力去观测和研究发生在地球周围空间(近地空间)、太阳系空间及更遥远的宇宙空间的自然现象。如早期对地磁、天体运行、极光、彗尾、太阳黑子、太阳耀斑和超新星爆发的观察等,对陨石进行化学分析,对宇宙物质的某些化学组成的光谱测定等,这些研究积累了人类认识宇宙的宝贵知识。
  奠基时期  20世纪以来,短波无线电远程通信试验成功,电离层的发现,宇宙线的观测,磁暴和电离层暴27天重现性与太阳自转有关的发现,以及等离子体振荡的发现等,也促进了理论研究的发展,如S.查普曼和费拉罗(V.C.A.Ferraro)提出了磁穴和环电流的概念,Sir E.V.阿普尔顿和哈特里 (D.R.Hartree)建立了磁离子理论,朗缪尔(I.Langmuir)提出了等离子体的概念,H.阿尔文预言阿尔文波的存在等。在实验方面,用探空火箭拍摄了太阳的整个光谱,探测了电离层和高层大气结构;光谱分析广泛地用于测定太阳和行星大气的化学组成,据此维尔特 (R.Wildt)提出了类木行星由大量氢所组成;对地外生物和地外文明也开始了探索。这些都为空间科学的形成奠定了基础。
  形成时期  50年代以后,在大量地面台站、气球和火箭观测及长期理论研究的基础上,迫切要求各相关学科之间密切配合,要求全球性的协同观测以及发展新的探测手段。1956年,在国际地球物理年大会上,美国和苏联宣布将要发射人造地球卫星以增强对地球物理学的研究。1957年,苏联首次发射了人造地球卫星,这标志着人类进入了空间时代。从此,许多国家和团体发射了大量的空间飞行器并进行了广泛的多学科的研究,促使空间科学迅速发展。
  20多年来,人们对近地空间环境进行了大量的普查,发现了地球辐射带、环电流,证实了太阳风磁层的存在,发现了行星际磁场的扇形结构和冕洞等;月球探测器和“阿波罗”飞船载人登月,对月球进行了探测和综合性研究;行星际探测器系列对行星进行了探测,并由对内行星发展到内外行星的探测;天文观测卫星系列对太阳、银河辐射源、河外源,在红外、紫外、X射线和γ射线波段进行了探测。在取得上述进展的同时,空间生命科学也相应地迅速发展起来。例如研究人在空间长期生存的一系列问题,包括在失重、超重、高能辐射、节律改变等条件下人体的适应能力等;空间生物学、医学和生保系统的研究也取得了很大的进展;关于地外生命也在进一步探索。
  在70年代后期,空间科学的发展进入了更高阶段。这主要表现为:对重大科学课题的研究更有针对性,并能制定周密的探测与研究计划,同时加强了理论研究;在开展广泛的国际合作下,进行了全球性的协同探测与研究。航天飞机的出现,将开辟空间科学史的一个新纪元,成为空间时代第二阶段的标志。
  学科内容  空间科学按照研究对象及研究手段进行学科分类,主要有:空间物理学空间天文学空间化学空间地质学空间生命科学等学科。
  空间物理学  主要研究发生在日球空间范围内的物理现象的学科。它的研究对象,包括太阳,行星际空间,地球和行星的大气层、电离层、磁层,以及它们之间的相互作用和因果关系。
  日地物理学(即日地关系)是空间物理学的主要部分,是太阳物理学和地球物理学之间的边缘学科。它研究太阳能量的产生、辐射(包括电磁辐射和带电粒子辐射,尤其着重于它们的变化部分)、在日地空间的传播和对地球所产生的影响等整个过程。太阳中心部分的核聚变所释放的辐射能,经过漫长的热扩散过程传至太阳的外层气体而被吸收,产生对流不稳定性,称为对流区。最后大部分能量作为热能传到光球层而向外辐射,能量主要在可见光波段内,这部分能量比较稳定。
  太阳有复杂的磁场结构,黑子的磁场强度达数百至数高斯(1高斯=10-4特斯拉),它们的极性具有准周期性,因而太阳活动及相关地球物理现象也有准周期变化。冻结于对流区等离子体内的磁场随等离子体的对流、湍流运动弯曲扭转,从而产生一些强的磁场活动区,如表现在光球面上的黑子。储存的磁能在适当条件下会被迅速释放,表现为强烈的太阳活动,耀斑是其中最强烈的。对流区内部分等离子体浮涌出光球和色球,受到加速加热而形成日冕和太阳风。太阳风将太阳磁场带入行星际空间,由于太阳的自转和太阳磁赤道面稍有弯曲,从地球赤道上看,行星际磁场呈阿基米德螺旋线状和具有磁极性相同的扇形结构,从太阳活动区浮涌出色球表面的等离子体,一般又重新落到附近表面,形成闭合的穹形磁力线双极结构,但在有些区域可能出现开放的磁力线,伸展致行星际空间,产生沿磁力线流出的高速等离子体流,这样的区域称为冕洞。异常的太阳活动致使电磁辐射和带电粒子流增强,增强的电磁辐射主要在紫外线、X射线、γ射线和射电波段内的非热辐射,这两类增强的能量虽在总输出能量中所占比例不大,但对地球大气层和空间环境都产生巨大的影响。
  日地物理学的发展,要求把整个日地系统作为一个有机的整体,进行定量的、综合性的研究。
  空间物理学还包括太阳-行星系统的研究。经过比较研究,可更好地理解日地系统的物理过程,从而取得对作为一个整体的太阳系的深刻理解。如地球磁层的概念,同水星、木星、土星的磁层比较;地球的大气结构与金星、火星、木星的大气比较;地球的电离层与金星、木星、土星的电离层比较等。
  空间天文学  利用空间飞行器在地球稠密大气外进行天文观测和研究的一门学科。人们通过接收宇宙天体的电磁辐射来研究它们的物理状态和过程。这种电磁辐射波长在108~10-12厘米范围内,但在地面上,仅能从可见光和射电两个大气窗口来观测天体,从而发展成为天文学的光学天文学和射电天文学两个分支。空间技术的发展,开拓了红外天文学、紫外天文学、X射线天文学和γ射线天文学等崭新的领域。
  由于大气的湍流运动,使光波经过时产生起伏,造成光学望远镜的频谱分辨率和角分辨率降低。将高分辨率的光学望远镜安装在空间实验室里,能显著地提高它的分辨本领。
  高能天体和激烈活动的天体现象,产生着X射线和γ射线,这包括温度达数千万至数亿度的热辐射和在强烈爆发过程中产生的相对论性带电粒子所发出的非热辐射,例如超新星爆发及其遗迹产生的辐射;当一致密星(中子星或黑洞)与一伴星形成双星时,致密星对伴星的吸积而产生的辐射。γ射线天文学直接与核过程、高能粒子和高能物理现象相联系,将日益得到更大的发展。
  有些宇宙天体的辐射主要在红外波段内,如原恒星、红巨星、恒星际的气体云和尘埃等。活动星系和类星体既有很强的X射线、紫外线辐射,也有很强的红外线辐射。在恒星际空间发现很多种无机和有机分子,它们的谐振频率在波长较短的微波段内,2.7K的宇宙背景辐射主要在毫米波、亚毫米波波段内。为了进行这些探测,也要利用空间飞行器才最有利。
  空间天文学的诞生,使天文学又出现了一次大的飞跃。所研究的星空迥异于地面光学和射电天文观测到的星空。可以说,现代天文学的成就,很多都与空间天文学的发展有关。它改变了对宇宙的传统观念,对高能天体物理过程、恒星和恒星系的早期和晚期演化、星际物质等的了解,加深了对宇宙的认识。
  空间化学  研究发生在空间的化学过程、宇宙物质的化学组成及其演化的一门学科,又称宇宙化学。
  在地球大气层和行星大气层中,有着复杂的化学过程,包括光化学反应过程。
  空间化学研究的主要对象,包括太阳系天体、恒星、星系、星际物质和星系际物质。空间化学要研究构成宇宙物质的化学组成,包括元素、同位素、分子等,以及它们的化学演化规律。利用空间飞行器在大气外观测,使频谱分析波段由可见光扩展到了红外线、紫外线、X射线和γ射线范围;在星际空间发现了许多种分子,其中有一些是比较复杂的有机分子,如氰基、氨等;对月球和行星的化学组成进行了分析。这使空间化学研究的内容不断地丰富起来,从而形成了空间化学。
  空间化学的发展,对于太阳系的起源、天体的起源和生命的起源等重大科学问题,有着密切的联系。
  空间地质学  研究月球、行星及其卫星等天体的物质成分、结构,以及形成和演化历史的一门学科。
  月球探测器系列和“阿波罗”飞船对月球的土壤、岩石、矿物等进行了综合研究,编制出了月球地质图和构造图。月球是人类在地球以外研究得最充分的天体。其次就是对金星、火星的探测,但仅限于对它们的表面的了解,如地形、山脉、裂谷、火山、峡谷和土壤分析等。所以,空间地质学还是一门较年轻的学科。
  空间生命科学  研究在宇宙空间的生命现象和探索地外生命、地外文明的一门科学。
  在空间时代,人和生物在宇宙空间的活动成了现实。但是,生命在宇宙空间长期生存,就有着一系列需要研究的科学问题。这包括:微重力条件、宇宙辐射环境以及生活节律的改变给人和生物带来的影响。相应地,空间生理学、空间生物学、空间医学以及生命保护系统的研究也取得了很大的进展。总起来说,空间飞行环境对人和生物是极其严峻的,但实践证明,随着空间生物学、医学及生保技术的发展,人是能够在空间飞行环境下较长期地生活和工作的。
  利用空间飞行来寻找宇宙中的生命,是十分令人感兴趣的重大科学问题。经过对行星的探测,特别是对火星的探测,尚未发现生命的迹象。但已在空间发现了30多种有机分子,其中有几种属于地球生命的基本物质。科学家们渴望能在星际空间找到更高级的有机分子形式。
  空间探测方法  空间科学研究的特点主要是靠探测宇宙空间所发生的自然现象来研究它的规律性。空间探测包括:①空间飞行器(人造地球卫星、月球和行星际探测器、空间实验室、航天飞机等)探测;②火箭探测;③气球探测;④地面台(站)网探测。这几类探测,各有利弊,互相补充。空间飞行器探测有更多的优越性:探测的空间范围广、时间长,探测的形式具有多样性和机动性,因此成为主要的空间探测手段。火箭探测具有更多的机动性,尤其是用于200公里以下空间区域的探测和一些瞬变现象的探测更为有利,但由于飞行时间太短而受到某些限制。气球探测比较简便,对低层某些探测有利,如对平流层、臭氧层的探测,但也受到飞行时间短和活动范围小、不能高出大气层之上等的限制。地面台(站)网探测具有连续性和稳定性,但由于受大气层的影响等,而成为辅助性的,但仍是必要的探测方法。
  展望  在科学方面,空间科学的发展将使人类对地球周围环境及其变化规律和机制有更加深入和全面的了解,从而使对日地物理现象能作更加可靠的预测;同时,将对天体物理现象、恒星和宇宙的演化、元素的起源、生命的起源等最基本的科学问题,得到启发,加深认识,为下一个科学上的飞跃作出贡献。
  在实际应用方面,用卫星从事通信、导航、测地、气象观测、遥感等,将取得更大的应用价值,此外,还有更大的利用和开发领域。空间飞行的微重力环境,非常有利于材料的研究和生产。在微重力环境下,可取消容器而免除受容器壁的污染,因而能研制和生产高质量的单晶、多晶、合金和非晶态材料,能研制和生产高精度的电子和光学元器件和特殊的药品等,产生巨大的经济效果。
  现代空间技术,已发展到有可能在地球同步轨道的高度建立太阳能卫星发电站,以获得取之不尽、用之不竭的洁净能源。科学技术的进一步发展将使这一规模巨大的课题,不仅是可行的,而且从长远观点看,在经济上也是合算的。航天飞机的作用还将有巨大的发展。在空间或月球上,建立一个相当长期性的、能容纳若干人的基地,将来也不是不可能实现的。空间的开发和利用向人类展示了巨大的前景。

 

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