地球周圍的空間是怎樣構(gòu)成的
我們先來看看地球周圍的空間是怎樣構(gòu)成的：
緊靠著地球表面的是大氣層。它保護(hù)了人類，使我們不受太陽和行星際有害輻射的影響。從地面向上，大氣越來越稀薄，但仍保持著中性，它的成分和地面的大氣沒有本質(zhì)差別。我們將離地面85公里以上的大氣稱為中高層大氣。
在五、六十公里以上，太陽的紫外輻射和X射線使空氣電離，電離成分越來越大，形成了電離層。
電離層可以使通過它的無線電波發(fā)生折射、反射、散射并且被吸收。它們是現(xiàn)代無線電通訊的基礎(chǔ)。
地球還是一個具有內(nèi)在磁場的星球。這個磁場也是保護(hù)人類的一道屏障。它把太陽發(fā)出來的粒子流（即太陽風(fēng)）擋在離地球6萬公里以外的地方，使地球不會像月亮那樣一片荒蕪。太陽風(fēng)是高導(dǎo)電的流體，到達(dá)地球附近受到地球磁場的排斥，形成包圍地球的空腔，即“地球磁層”。地球磁層是大多數(shù)應(yīng)用衛(wèi)星運行的區(qū)域。磁層里并不是空的，里面充滿了各種溫度的等離子體和各種能量的帶電粒子。
太陽表面發(fā)生的劇烈活動（耀斑、日冕物質(zhì)拋射事件等等），會使通常比較穩(wěn)定的行星際太陽風(fēng)發(fā)生劇烈變化，并影響地球磁層，特別是將能量聚集到磁尾，然后通過磁暴和磁層亞暴將能量釋放出來。磁暴和磁層亞暴主要通過粒子沉降、場向電流和對流電場，向地球兩極地區(qū)輸送能量產(chǎn)生極光，并引起電離層、熱層擾動，形成電離層暴和熱層暴，影響中性大氣和電離層全球結(jié)構(gòu)變化。在磁暴期間，赤道環(huán)電流增強，在地面形成強烈的地磁擾動。有時磁暴期間還會形成輻射帶相對論性電子增強，它是和太陽活動密切相關(guān)的。
日地空間物理未解決的前沿問題
人類經(jīng)過了數(shù)千年的努力，從陸地走向海洋，飛上藍(lán)天。以1957年成功地發(fā)射第一顆人造地球衛(wèi)星為標(biāo)志，人類進(jìn)入了太空，開始了太空時代。近50年來人類發(fā)射了幾千顆衛(wèi)星，為人類提供了通訊、導(dǎo)航、氣象、資源勘探等方面的服務(wù)，已經(jīng)成為人類生活不可缺少的部分。
然而，肩負(fù)重任的各類衛(wèi)星在太空卻面臨及其嚴(yán)酷的環(huán)境，衛(wèi)星不斷被破壞。就像地面上有電閃雷鳴，刮風(fēng)下雨一樣，地球空間中也有類似的現(xiàn)象。例如地球磁層亞暴過程中，大量的帶電粒子象疾風(fēng)驟雨一樣從地球磁尾（即背離太陽一側(cè)）向地球沖過來。這些電子能夠?qū)е滦l(wèi)星充電，嚴(yán)重時可以將衛(wèi)星充電到幾萬伏高壓，最后導(dǎo)致衛(wèi)星放電被燒毀。地球磁暴過程中，圍繞地球形成了一個巨大的電流環(huán)，其強度可以達(dá)到幾百萬安培。這個巨大的電流通過地磁場的劇烈變化可以在地面上感應(yīng)出巨大電流，將地面上輸油管道，供電線路燒毀。伴隨著磁暴產(chǎn)生的高能粒子，可以象子彈一樣擊毀衛(wèi)星上部件。例如：
1991年7月7日，歐洲遙感衛(wèi)星上的CMOS器件被燒毀，精確測速測距裝置破壞，衛(wèi)星停止了工作。
1997年1月11日，美國AT&T公司的Telstar401衛(wèi)星被太陽活動引起的空間環(huán)境擾動損壞，導(dǎo)致北美的尋呼機和長途電話大范圍中斷，通訊中斷的影響甚至波及到了金融、股票正常的運行。
1998年5月的一次太陽耀斑爆發(fā)后，當(dāng)日冕物資拋射/磁云掃過地球時，在地球磁層(L=2-7)引起了持續(xù)幾周的新的相對論性電子輻射帶，德國科學(xué)衛(wèi)星EQUATOR－S和美國商業(yè)衛(wèi)星GALAXY－4遭受高能電子的轟擊而深層充電，于5月1日和19日先后報廢。
為了避免和減少人類航天活動的損失和危險，就需要對空間環(huán)境發(fā)生的各種物理過程有一個深入的了解，進(jìn)而就像預(yù)報地面上刮風(fēng)下雨一樣，實現(xiàn)對空間環(huán)境中各種重要災(zāi)害性事件進(jìn)行監(jiān)測和預(yù)報。
所以地球空間并不是靜止的，它是太陽活動的影響下經(jīng)常處于劇烈的擾動狀態(tài)中，稱為地球空間暴。其中磁層空間暴(包括磁層亞暴，磁暴和磁層粒子暴等)是地球空間暴的最重要部分，也是一些其它地球空間暴的產(chǎn)生源頭。在地球兩極地區(qū)發(fā)生的極光就是磁層亞暴的一種表現(xiàn)形式。這些與人類活動密切相關(guān)的磁層空間暴的產(chǎn)生機制和發(fā)展規(guī)律目前還不為人類所了解。以劉振興院士為首的中國科學(xué)家提出的地球空間雙星探測計劃的科學(xué)目標(biāo)就瞄準(zhǔn)了這一最有挑戰(zhàn)性的重大科學(xué)問題。
雙星探測計劃的重要意義
一、重要科學(xué)意義
雙星和Cluster四點星座計劃結(jié)合，是空間物理學(xué)發(fā)展史上第一個以磁場－等離子體系統(tǒng)多尺度相互作用和地球空間三維時－空變化為目標(biāo)的探測和研究計劃。它為進(jìn)行重大原創(chuàng)性研究提供了廣寬的研究空間，可將我國日－地物理學(xué)研究推向國際前沿，對推進(jìn)我國空間探測技術(shù)跨越式發(fā)展、提高我國空間物理研究和空間天氣預(yù)報的創(chuàng)新能力具有重要意義。
（1） 全面了解地球空間環(huán)境聯(lián)鎖變化的物理過程
（2） 通過雙星計劃的實施，除獲得雙星的大量科學(xué)數(shù)據(jù)外，還可獲得Cluster II四顆衛(wèi)星（44臺儀器）的探測數(shù)據(jù)和與Cluster II相配合的30個地面站的觀測數(shù)據(jù)，以及國際其他衛(wèi)星的探測數(shù)據(jù)，揭示地球空間等離子體與磁場的三維小尺度結(jié)構(gòu)及多尺度相互作用的物理圖象。
（3） 提供空間物理和等離子體物理研究的“空間實驗室”，推動太陽物理、磁流體力學(xué)、特別是等離子體物理學(xué)和天體物理學(xué)等相關(guān)科學(xué)研究以及行星空間環(huán)境比較研究的發(fā)展。
（4） 人才培養(yǎng)
通過本項目研究，可培養(yǎng)一支熟習(xí)空間探測技術(shù)、數(shù)據(jù)處理與分析和理論研究的、水平高、人數(shù)多的年輕科技隊伍，并鍛煉和涌現(xiàn)出一批具有國際影響和知名度的、為我國空間科學(xué)技術(shù)和等離子體物理學(xué)的發(fā)展做出杰出貢獻(xiàn)的優(yōu)秀人才。
（5） 建立我國的星—地聯(lián)合觀測系統(tǒng)
雙星計劃與“亞太合作小衛(wèi)星計劃”和地面“子午鏈工程”相配合，形成我國的星—地聯(lián)合觀測系統(tǒng)。這對我國的空間物理和空間環(huán)境研究和發(fā)展將起重要作用。
二、應(yīng)用價值
本項目的實施可為保障我國航天活動的安全提供科學(xué)數(shù)據(jù)、科學(xué)依據(jù)和對策。
地球空間是各種應(yīng)用衛(wèi)星（氣象衛(wèi)星、通信衛(wèi)星、資源衛(wèi)星、導(dǎo)航定位衛(wèi)星等）、航天飛機與空間站的飛行區(qū)域，是目前人類開發(fā)和利用太空資源、進(jìn)行太空軍事進(jìn)攻與防御的主要活動領(lǐng)域，同時也是主要的災(zāi)害空間天氣的直接發(fā)生地。地球空間暴是空間天氣研究的核心內(nèi)容。本項目可為空間天氣預(yù)報建立理論基礎(chǔ)，提供預(yù)報方法和模型，為我國今后空間天氣地基和空間觀測網(wǎng)重大工程的建設(shè)進(jìn)行概念準(zhǔn)備。
三、重要戰(zhàn)略意義
通過雙星計劃，提高我國與歐空局空間合作層次和開拓合作范圍，顯示我國的實力和水平，提高我國在國際空間物理界的地位和作用，這對打破國際上單極壟斷的局面，具有重要戰(zhàn)略性意義。
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