关于空间物理学介绍

人们早就对宇宙空间某些物理现象进行过观测和研究。中国东汉班固在《汉书》中收有公元前15年3月27日（汉成帝永始二年二月癸未）在西安看到的极光形态的生动描述：“夜，东方有赤色，大三四围，长二三丈，索索如树；南方有□，大四五围，下行十余丈，皆不至地灭。”在后来的中国史籍和地方志中，也有大量类似的记载。

人们对宇宙空间和地球本身的知识逐渐积累，首先形成了天文学和地球物理学。随着科学技术的发展，人类利用气球、火箭等运载工具能够到达越来越高的空间，探测高层大气的密度和成分、高空磁场、高能粒子、等离子体等，逐渐形成了研究高层大气结构、成分和动力学过程的高层大气物理学。并使之逐渐演化成研究高空的物理和化学过程的高空学。1957年人造地球卫星进入了宇宙空间，使人们克服了大气层的障碍，有可能在广阔的宇宙空间进行直接测量。人们对宇宙空间的研究领域扩展到离地球十几亿公里的行星和整个行星际空间，高空学也进一步演化成空间物理学，并从地球物理学中分离出来成为一门独立的学科。

1957年以后，空间物理学发展十分迅速，大致经历了两个阶段。50年代末至60年代是“普查”阶段。这一阶段主要解决宇宙空间是“什么样”的问题。这时的探测和研究以绘制宇宙空间各种物理量的静态分布模式或平均结构为主，陆续做出了高层大气模式、电离层模式、辐射带模式及磁场模式，描绘了高层大气和磁层结构以及行星际磁场的扇形结构。同时着重研究了当时认为对宇宙航行造成威胁的高能粒子辐射和微流星体。第二阶段从70年代开始。空间探测和研究由普查发展到按特定的科学目的、围绕具体的课题来进行，并着重对外层空间现象变化的内在物理规律──动力学过程，进行深入的研究。探测区域也由近地空间向外扩展到月球、行星和行星际空间。在探测方式上也从单个卫星测量发展为多个卫星联合测量，并多次采用主动试验的方法，即用人工的方法破坏空间环境的平衡状态，然后观测它恢复平衡的过程，以研究其中的动力学问题。在理论上相应地以研究扰动的激发和传播，各层大气（见高层大气结构）之间的物质和能量的耦合过程为主。

20多年来空间物理学虽然取得了巨大的成果，但由于空间物理学研究的区域十分广阔，问题十分复杂，对于绝大多数问题来说，研究仅仅是开始，因此它还是一门十分年轻的学科。

研究对象和分支学科

空间物理学研究的空间范围，是随着直接探测手段的发展在不断扩大的。它的分支学科则按其研究对象大致可以分为中层大气、高层大气、电离层、磁层、日球、宇宙线等。

中、高层大气

一般是指平流层（约20公里）以上的大气层。中、高层大气除受到地球、太阳和月球的引力作用外，还受到来自太阳和其他天体的各种波长的电磁辐射以及来自外层空间的粒子辐射的强烈影响，大气的温度、密度、压力、成分以及高层大气的动力学和热力学过程，都随高度、地理纬度、地方时、季节、太阳活动及地磁活动程度而变化。太阳电磁辐射是地球能量的主要来源，它的频谱十分宽，包括从波长为10-4埃的γ射线到波长达10公里以上的无线电波的波段，既有连续谱，也有离散的谱线。辐射能量集中在可见光和红外辐射部分，X射线和紫外线能量虽然只占总辐射的很小部分，但强度变化大，又能导致高层大气分子电离和离解，从而使高层大气产生一系列极为复杂的光化学过程。由于这些微观过程对中、高层大气的结构和运动状态有很大的影响，研究太阳电磁辐射及其诱发的中、高层大气光学现象（如气辉）和光化学过程，就成为中、高层大气研究的重要内容。中、高层大气中性粒子通过碰撞与电离层带电粒子相互作用，通过各种尺度的运动（如潮汐运动、行星波、湍流等）与低层大气互相耦合。

电离层

从离地面60公里处往上，来自太阳和宇宙空间的电磁辐射和粒子辐射使高层大气电离，从而形成对无线电波传播有显著影响的电离层。电离层和磁层之间的关系十分密切，它们通过电场、电流和沉降粒子不断进行着能量和物质的交换，电离层中的电流变化也是地面磁场变化的重要原因之一。电离层的发现及其研究，始终与无线电波传播的研究紧密相连，了解电离层变化规律，预先掌握电离层的状态及其可能的变化，对于无线电通信是十分重要的，而电离层的许多参数也是通过无线电波在其中传播的特征获得的。

磁层

虽然早在30年代就认识到在地球周围存在一个被太阳带电粒子流包围的区域，提出了接近于现代磁层的概念，但是直到60年代才有可能对它进行直接探测并进行较为详细的研究。磁层直接与太阳风和行星际磁场连接，太阳风扰动时首先影响磁层，太阳风的能量和物质也首先进入磁层，通过它传递给电离层和中性大气。因此它是研究日地关系，探索太阳大气-行星际介质-磁层-电离层-中性大气耦合过程中很重要的一个区域。磁层和电离层都是卫星和飞船的主要活动区域，它们都受到磁层的磁场、辐射带和等离子体的一些影响，因此对磁层环境的测量和研究，将为宇宙航行提供重要的飞行环境情况。

日球

由太阳发射的超声速等离子体流(即太阳风)沿径向向外流动，与恒星际介质相互作用而将恒星际介质排斥于一定距离之外，形成一个由太阳风和行星际磁场组成的区域，这个区域称日球。行星际介质主要就是由这种超声速的太阳风所组成，发生在这个庞大的宇宙空间中的物理过程，很大程度上是由它所控制的，因而日球物理的研究是探索太阳和地球之间因果关系的基础。迄今为止还只在黄道面附近对日球进行探测，其中大多数还局限在地球轨道附近，只有少数探测器在其他区域作过一些探测。

宇宙线

宇宙空间中的高能粒子，一部分来自银河系，一部分来自太阳。宇宙线作为宇宙空间的重要组成部分，它的成分、能谱、强度分布和时间变化规律，它在空间的输运过程以及它的起源和加速过程都是空间物理学研究的重要内容。它来自太阳表面和遥远的星空，自然带来许多可用来研究太阳表面活动区和银河系高能物理过程的信息。宇宙线在日球内的传播过程中，和太阳风、行星际磁场及磁层等相互作用，也使宇宙线成为研究这些区域的重要工具。宇宙线是使地球大气电离的主要因素之一，对中层大气的电离起着主要作用。

行星及其比较研究

各个行星都有许多与地球相似之处（如多数都有磁层、大气层和电离层），也有许多不同的地方（重力场和磁场强度，大气组成，离太阳的距离以及自旋速度等）。对它们进行比较研究可以推动有关太阳系起源等基本问题的研究，也可以为地球现象研究提供许多有益的启示，并有可能帮助人们解决一些如“长期气候变化及其预报”等具有重大实际意义的课题。

研究特点