空間環(huán)境與人類生活
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- 安徽新天源建設(shè)咨詢有限公司
- 最后修訂：
- 2020-07-03 15:32:18
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主要專家簡(jiǎn)介：
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【簡(jiǎn)介】
隨著人類空間活動(dòng)的日益頻繁，空間環(huán)境狀態(tài)和變化，即所謂的空間天氣，已成為當(dāng)前十分重要的科學(xué)研究和空間應(yīng)用領(lǐng)域。近年來，我國(guó)在空間科學(xué)和技術(shù)上均取得了令世人矚目的成就。空間物理子午鏈國(guó)家重大科學(xué)設(shè)施，地球空間雙星探測(cè)，嫦娥月球探測(cè)和已經(jīng)正式立項(xiàng)的火星探測(cè)等項(xiàng)目，有力地推動(dòng)了我國(guó)空間環(huán)境科學(xué)探測(cè)與研究的發(fā)展，對(duì)于提升我國(guó)空間環(huán)境監(jiān)測(cè)、研究與預(yù)報(bào)能力，使我國(guó)從空間大國(guó)走向空間強(qiáng)國(guó)將發(fā)揮重要作用。
本次沙龍結(jié)合我國(guó)開展的地基和衛(wèi)星探測(cè)項(xiàng)目和計(jì)劃，基于中科院地質(zhì)地球所近年來進(jìn)行的地球空間環(huán)境探測(cè)研究工作，介紹空間環(huán)境有關(guān)的探測(cè)技術(shù)、方法和取得的研究成果，并就我國(guó)空間環(huán)境的觀測(cè)研究進(jìn)展，討論地球空間環(huán)境整體行為和不同圈層的耦合過程，探討空間環(huán)境變化與人類活動(dòng)的相互影響。
【主持人致辭】
王謙身：我國(guó)唐代詩人白居易在長(zhǎng)恨歌中就寫到“上窮碧落下黃泉”，為了找楊貴妃，上天入地也要去找，唐朝就考慮空間的問題了?，F(xiàn)在，地球物理學(xué)就是研究上天入地的內(nèi)容，對(duì)資源、災(zāi)害和環(huán)境都要研究。今天我們請(qǐng)地質(zhì)地球所寧百齊研究員作主旨報(bào)告，談?wù)効臻g環(huán)境和人類生活的問題。下面請(qǐng)寧百齊研究員作報(bào)告。
【主旨報(bào)告】
寧百齊：空間環(huán)境與人類生活
首先謝謝大家，今天來了很多老科學(xué)家，我很榮幸有機(jī)會(huì)與大家交流。今天講的內(nèi)容是“空間環(huán)境與人類生活”。我們研究所就有一個(gè)“地球與行星重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室”專門做這方面的工作。我想從四個(gè)方面講起。
一、我們所處的空間環(huán)境
根據(jù)現(xiàn)有知識(shí)，宇宙就是最大的空間，它的范圍有340億光年的空間，光傳播的速度是30萬公里/秒。先講一下宇宙大爆炸的知識(shí)。大約在150億年前，宇宙所有的物質(zhì)都高度密集在一點(diǎn)，有著極高的溫度，因而發(fā)生了巨大的爆炸。大爆炸以后，物質(zhì)開始向外大膨脹，就形成了今天我們看到的宇宙。膨脹、爆炸，產(chǎn)生許多粒子、原子、氣體云塊、恒星星系，在演化過程中，又產(chǎn)生了人類。
我們所處的太陽系，有八大行星，地球是其中一個(gè)行星。太陽系只是宇宙的一個(gè)子空間，從天文角度說，它有一個(gè)光年的大小，從空間物理角度考慮，它有120個(gè)天文單位。地球與太陽的平均距離就是一個(gè)天文單位，一個(gè)天文單位約1億公里。
在日地空間，有太陽大氣、太陽風(fēng)。在地球空間，有磁層、電離層和大氣層。日地空間不是真空的，它有粒子、電場(chǎng)、磁場(chǎng)和重力場(chǎng)，有重力波、行星波、潮汐波、阿爾芬波（磁流體動(dòng)力波——一種等離子體內(nèi)沿磁場(chǎng)方向傳播的波）和聲波，它還有熱輻射和光輻射。它們的能量源和物質(zhì)源都是太陽提供的。
地球內(nèi)部有地核、地幔和地殼。在地球的外核有對(duì)流并發(fā)電，產(chǎn)生地磁場(chǎng)。地幔排氣再演化，產(chǎn)生大氣層，有氧氣、氮?dú)獾龋簿褪钦f，地球又為地球空間提供了物質(zhì)源。
圖1. 磁層的形成過程
地球有磁場(chǎng)，但在太陽風(fēng)（帶電粒子）的吹動(dòng)下，地球磁場(chǎng)變成現(xiàn)在的樣子。太陽的輻射產(chǎn)生光化學(xué)作用，高層的電離層以及接近地面的大氣等，都受到了影響。中高層大氣位于地球上方30-100公里，這里空氣稀薄、開始電離、熱源和熱匯復(fù)雜。電離層位于地球上方60-1000公里，這里的空氣部分電離、有中性和帶電粒子共同作用、影響無線電波。磁層位于地球上方1000公里到幾十個(gè)地球半徑，這里的空氣完全電離、空間等離子體完全受磁場(chǎng)控制。
人類生活所處的環(huán)境就是在圍繞地球有引力場(chǎng)、重力場(chǎng)和磁場(chǎng)，有磁層、電離層輻射的空間環(huán)境。其中受地球引力作用控制的范圍，其半徑距地心約93萬公里，受地球磁層影響的范圍，其半徑距地心約6.5萬公里。正是由于地球表面的大氣層的包裹、地磁場(chǎng)的保護(hù)，才使得太陽風(fēng)的帶電粒子的輻射被阻擋、被吸收，地球上的生命得以保護(hù)，才會(huì)有海洋、有植物、有豐富多彩的生活。
二、人類的空間活動(dòng)
1. 人類空間活動(dòng)——飛機(jī)
人類在唐朝以前就有上天的想法，但真正離開地面的飛行是在1903年懷特兄弟發(fā)明了飛機(jī)。到1914年開始第一次商業(yè)航班，2個(gè)乘客，佛羅里達(dá)。
2. 第一顆人造衛(wèi)星
1957年10月4號(hào)，蘇聯(lián)發(fā)射了第一顆衛(wèi)星Sputnik-1(58厘米,83公斤,3個(gè)月),在距地球表面幾百公里高的軌道上運(yùn)行。人類開啟了太空時(shí)代
3. 對(duì)冥王星的衛(wèi)星探測(cè)
新地平線飛船（2006年發(fā)射），2015年7月15號(hào)達(dá)到離冥王星12500公里高度。原來太陽系里是九大行星，后來冥王星不算在內(nèi)，就形成了太陽系中有八大行星了。目前已經(jīng)完成了人類對(duì)整個(gè)太陽系主要星體的衛(wèi)星探測(cè)。
到目前為止，人類已經(jīng)形成了非常完備的從太陽到地球臨近空間的衛(wèi)星探測(cè)體系 ，幾乎所有地表以上的參量都可以用衛(wèi)星探測(cè)。
2014年9月13日，美國(guó)國(guó)家航空航天局(NASA) 宣布1977年發(fā)射的“旅行者1號(hào)”探測(cè)器已經(jīng)離開太陽系，正在飛向別的恒星?！奥眯姓?號(hào)”是首個(gè)沖出太陽系的人類制造的飛行器，截至2018年1月2日止，旅行者1號(hào)正處于離太陽211億公里的距離。
4.人類空間活動(dòng)呈爆炸式發(fā)展
當(dāng)前，有各種飛行器在空間運(yùn)行，空間充滿了飛行器、衛(wèi)星、退役產(chǎn)生的碎片。從下面的圖中可以看到，在1960年和2010年間，地球表面飛行物的比較，在2010年的地球空間充滿了太多的飛行物等。
圖2. 人類空間活動(dòng)呈爆炸式發(fā)展
5. 人類向空間發(fā)展
1961年4月12日，前蘇聯(lián)宇航員加加林完成有史以來的首次太空飛行，使人類從太空，距地球幾百公里的高度觀察到了自己居住的地球。
1971年，前蘇聯(lián)發(fā)射了禮炮一號(hào)（天空實(shí)驗(yàn)室號(hào)，和平號(hào)，國(guó)際空間站）空間站，人類可在空間站上居住。
2011年中國(guó)發(fā)射了天宮一號(hào)飛行器，并準(zhǔn)備籌建（天宮二號(hào)，天宮三號(hào)）空間站。
1969年，美國(guó)阿波羅11號(hào)（阿波羅計(jì)劃5次成功登月）首次載人登上月球，月球距地球是38萬公里。
2004年，中國(guó)開始嫦娥系列計(jì)劃，2007年嫦娥一號(hào)發(fā)射升空。后來，相繼發(fā)射了二號(hào)、三號(hào)。現(xiàn)準(zhǔn)備嫦娥四號(hào)，去月球的背面進(jìn)行探測(cè)。
人類的下一個(gè)目標(biāo)是美國(guó)獵戶座計(jì)劃，在2034年左右載人登火星。
6. 太空旅行
人類的太空旅行，不久就會(huì)實(shí)現(xiàn)。從下圖可以看到去各個(gè)目的地的時(shí)間。
圖3. 太空旅行
三、空間天氣對(duì)人類活動(dòng)的影響
我們生活在地球上，所關(guān)心的天氣，就是地表2公里以下范圍內(nèi)的天氣，如刮風(fēng)、下雨、雷電、冷暖等等。隨著人類向空間的發(fā)展，向空間飛行或者空間旅行，就需要關(guān)心地表幾十公里以上的天氣，過去叫空間環(huán)境。我們處在太陽-地球的空間，太陽的變化，會(huì)影響人類的生活。在上世紀(jì)末，國(guó)際上把這一部分稱作空間天氣。
太陽上出現(xiàn)的耀斑和日冕物質(zhì)的拋射等劇烈活動(dòng)，給地球磁層，電離層和中高層大氣，衛(wèi)星運(yùn)行和安全，以及人類健康，帶來嚴(yán)重影響和危害，通訊也會(huì)受到損害。人們把這種由太陽活動(dòng)引起的短時(shí)間尺度的變化，稱之為空間天氣（大于30公里）。
圖4. 地球地表的天氣范圍
萬物生長(zhǎng)靠太陽，地球地表的天氣與太陽有關(guān)系，而空間天氣的變化也與太陽有關(guān)。太陽上有一種日冕物質(zhì)拋射的現(xiàn)象，太陽把一團(tuán)物質(zhì)拋射出來，形成高速的太陽風(fēng)，它拋射的能量是地球上原子彈威力的1600萬倍，一顆原子彈可以摧毀一座城市，足見威力。 而與太陽拋射的能量相比，差距太大了。
圖5. 太陽拋射物質(zhì)的威力
太陽風(fēng)是指太陽上每時(shí)每刻都有一些高能粒子吹向地球，而地球磁場(chǎng)把這些高能粒子阻擋住，使其偏轉(zhuǎn)或反射，使生活在地球上的人類免受高能粒子的影響。
太陽風(fēng)的暴發(fā)，發(fā)生地球空間暴，會(huì)引起高能粒子暴，磁場(chǎng)擾動(dòng)，形成磁暴，產(chǎn)生電離層暴和熱暴。太陽風(fēng)吹向地球，使磁場(chǎng)偏轉(zhuǎn)，會(huì)在地球的南北極形成美麗的極光。圖中顯示的極光，有從地面看到的，有從距地球表面250公里的航天飛機(jī)上看到的。
圖6. 從地面和空間看極光
隨著科學(xué)的發(fā)展，目前已經(jīng)發(fā)現(xiàn)的空間天氣對(duì)人類的影響如圖7所示。
圖7. 空間天氣影響的領(lǐng)域
等離子體輻射主要發(fā)生在磁層部分。這些高能粒子會(huì)引起飛行器的電場(chǎng)充電，線路短路，損傷儀器。
無線電波的傳播依賴于電離層，它們要么在電離層反射、要么穿過電離層、要么在電離層折射。電離層的變化就影響無線電波的傳播。人類需要通過各種模型的計(jì)算，對(duì)電離層傳播進(jìn)行改正，保證無線電通訊不受影響，保證定位的精度。
圖8. 空間信息安全
四、空間環(huán)境探測(cè)與研究
這方面的內(nèi)容較多。這里主要講我們研究所和我們實(shí)驗(yàn)室的一些情況。
首先介紹日地空間的一些常識(shí)。在太陽表面的部分稱作太陽大氣，就是太陽物理。在太陽和地球之間，存在太陽風(fēng)，又稱作行星際物理。在距地球附近，稱作地球空間。地球空間又有磁層，在距地球1000公里以上，處于等離子體輻射環(huán)境，與航天應(yīng)用有關(guān)。在距地球60-1000公里之間，存在電離層，與空間信息應(yīng)用有關(guān)，屬于電波傳播環(huán)境，在飛行物飛行期間，需要通訊、導(dǎo)航、定位等。在距地球30-100公里間，屬中高層大氣，又叫中性大氣環(huán)境，高空飛行物如導(dǎo)彈在這一層飛行。
圖9. 從空間物理到空間應(yīng)用
目前主要的科學(xué)問題是日地空間的起源與演化，空間環(huán)境的產(chǎn)生與變化。在日地空間系統(tǒng)的耦合過程中，太陽起主導(dǎo)作用,地球起基本作用。太陽風(fēng)影響磁層、電離層。而地球內(nèi)部的巖石層的變化，如地震也會(huì)引起大氣活動(dòng)，上傳至電離層，盡管影響很小，但在耦合中也有作用，即地球基本作用。太陽與地球的相互作用，災(zāi)害性空間天氣就會(huì)產(chǎn)生和發(fā)展，如磁暴、電離層暴等。
空間環(huán)境的探測(cè)有直接探測(cè)和間接探測(cè)。我們有空間飛行器和衛(wèi)星，可直接在空間中探測(cè)各種數(shù)據(jù)，把測(cè)量?jī)x器放到衛(wèi)星上，當(dāng)衛(wèi)星經(jīng)過時(shí)，進(jìn)行測(cè)量。另一種是間接測(cè)量，利用輻射的粒子，通過光學(xué)和紫外研究其攜帶的信息，把高空的狀態(tài)和參量提取出來?；蛘呃脽o線電波信號(hào)發(fā)射如雷達(dá)似的，通過電磁特性進(jìn)行遙感，把空間狀態(tài)提取出來。再有就是通過地磁觀測(cè)，地面地磁觀測(cè)的主磁場(chǎng)是地球內(nèi)部的，而空間的帶電粒子會(huì)影響到磁場(chǎng)的變化可以通過反演研究空間的一些參量。
圖10. 空間環(huán)境探測(cè)方法
地質(zhì)地球所建立了空間環(huán)境探測(cè)平臺(tái)，有一個(gè)觀測(cè)臺(tái)鏈，在國(guó)內(nèi)最北邊的漠河，最南邊的三亞，還在北極的黃河站和南極的中山站都建有臺(tái)站觀測(cè)，目前國(guó)內(nèi)通過GPS衛(wèi)星觀測(cè)的，已有34個(gè)觀測(cè)點(diǎn)，地質(zhì)地球所建有數(shù)據(jù)控制中心。
圖11. 空間環(huán)境探測(cè)平臺(tái)
圖12. 實(shí)驗(yàn)室研究?jī)?nèi)容和定位
下面介紹一下儀器。
1. 磁力儀
包括LEM-018三分量磁通門磁力儀、GM4三分量磁通門磁力儀、Mago1DI磁力儀、GSM90F Ovehause 磁力儀和LEMI-30感應(yīng)磁力儀。在臺(tái)站上配備用于綜合觀測(cè)。
2. 全天空流星雷達(dá)
用于測(cè)量高空大氣風(fēng)場(chǎng)，溫度，流星擴(kuò)散，流星速度等。
3.電離層測(cè)高儀
通過垂直發(fā)射掃頻高頻脈沖波，當(dāng)電波頻率等于電離層等離子體頻率時(shí)，信號(hào)發(fā)生反射。測(cè)量從電離層反射回波到達(dá)接收機(jī)的時(shí)間延遲，獲得各頻率點(diǎn)電離層虛高，即頻高圖。
4.VHF（甚高頻）電離層雷達(dá)
2009年在三亞站建立我國(guó)大陸首臺(tái)VHF電離層雷達(dá)，測(cè)量電離層不均勻結(jié)構(gòu)。
5.GNSS（全球?qū)Ш叫l(wèi)星系統(tǒng)）衛(wèi)星信標(biāo)接收機(jī)
利用接受GNSS衛(wèi)星發(fā)射的雙頻信號(hào)，可探測(cè)地面與GPS衛(wèi)星間電波路徑上的電離層電子濃度總含量TEC和電離層閃爍。
上述儀器在各觀測(cè)站都有配備，已經(jīng)實(shí)現(xiàn)了自動(dòng)觀測(cè)與網(wǎng)絡(luò)監(jiān)控。在地質(zhì)地球所設(shè)有運(yùn)控與數(shù)據(jù)中心。
圖13. GNSS衛(wèi)星信標(biāo)接收機(jī)接受示意圖
海南電離層非相干散射雷達(dá)建設(shè)，是2015年國(guó)家基金委重大科學(xué)儀器項(xiàng)目，投資1.1億人民幣建設(shè)三亞相控陣非相干散射雷達(dá)，子午工程二期擬投資2億人民幣擴(kuò)展建設(shè)為海南3站非相干散射雷達(dá)系統(tǒng)。
研制并建立大功率相控陣“三亞非相干散射雷達(dá)”（簡(jiǎn)稱SYISR），將是國(guó)際上首臺(tái)進(jìn)行低緯度電離層常規(guī)觀測(cè)的和東半球最重要的非相干散射雷達(dá)。用于“低緯大氣層-電離層-磁層耦合”重大科學(xué)問題研究，開拓新的學(xué)科領(lǐng)域，并服務(wù)于我國(guó)南方及南海地區(qū)的高頻通信、衛(wèi)星通信與定位導(dǎo)航等。
國(guó)家空間環(huán)境觀測(cè)子午工程（子午工程一期）：在2008年，中國(guó)的空間環(huán)境監(jiān)測(cè)網(wǎng)開始起步建設(shè)。建設(shè)沿東經(jīng)120度子午線附近和北緯30度附近的空間環(huán)境地基監(jiān)測(cè)鏈。由中科院牽頭，七部委參加，于2012年10月正式運(yùn)行。
子午工程二期監(jiān)測(cè)系統(tǒng)臺(tái)站布局和設(shè)備配置如圖14。
圖14. 子午工程二期監(jiān)測(cè)系統(tǒng)
子午二期工程還要關(guān)注以下三個(gè)重點(diǎn)區(qū)域：
一鏈：從太陽表面、行星際到地球的多手段的各種觀測(cè)；
三網(wǎng)：地磁網(wǎng)、電離層網(wǎng)和中高層大氣網(wǎng)對(duì)我國(guó)的密集覆蓋；
四聚焦：對(duì)極區(qū)的高緯度地區(qū)，對(duì)我國(guó)漠河的北方，海南島的南方和青藏高原地區(qū)增加一些大型設(shè)備，做到精細(xì)探測(cè)。
空間環(huán)境觀測(cè)臺(tái)鏈的發(fā)展走過了很長(zhǎng)的道路。從上世紀(jì)80年代，就開始建地磁臺(tái)鏈，2006年，地磁臺(tái)鏈與武漢的電離層觀測(cè)站進(jìn)行整合，2011年，建起空間環(huán)境的綜合觀測(cè)，并正式運(yùn)行。目前，正發(fā)展我們自主研制的觀測(cè)儀器。我們希望在2021年建成國(guó)際上的空間環(huán)境觀測(cè)臺(tái)鏈的觀測(cè)基地，服務(wù)于國(guó)家的科學(xué)和應(yīng)用研究。
圖15. 地基空間環(huán)境觀測(cè)歷程與展望
我們實(shí)驗(yàn)室最近的計(jì)劃中，有地磁衛(wèi)星計(jì)劃，準(zhǔn)備在2022年發(fā)射5顆小衛(wèi)星。通過衛(wèi)星磁測(cè)獲取高分辨磁場(chǎng)數(shù)據(jù)，與地震學(xué)、計(jì)算模擬等手段結(jié)合，研究地球內(nèi)部與空間的關(guān)聯(lián)（空間物理與空間拓展）。
中國(guó)首次火星探測(cè)項(xiàng)目，火星探測(cè)任務(wù)已正式立項(xiàng)，2020年發(fā)射首個(gè)火星探測(cè)器，我們也要積極參與?，F(xiàn)正自主研制火星磁強(qiáng)計(jì)，在2020年火星探測(cè)時(shí)，利用火星巡視器建立火星物理觀測(cè)站，探測(cè)火星表面磁場(chǎng)等，研究火星空間與火星內(nèi)部結(jié)構(gòu)。
在首顆衛(wèi)星發(fā)射升空三十多年后，中國(guó)于2003年啟動(dòng)了首個(gè)純科學(xué)太空任務(wù)——雙星計(jì)劃，主要研究地球空間環(huán)境。2015年以來，中國(guó)在地球軌道上投放了若干新的科學(xué)衛(wèi)星，包括2015年的“悟空”號(hào)，2016年的“墨子”號(hào)，實(shí)踐十號(hào)衛(wèi)星，中國(guó)二氧化碳觀測(cè)衛(wèi)星，2017年的“慧眼”，以及2018年中國(guó)地震電磁監(jiān)測(cè)實(shí)驗(yàn)衛(wèi)星。將來要到木星探測(cè)。在2025年，我國(guó)將對(duì)彗星探測(cè)，在2030年將對(duì)木星探測(cè)，我們都將積極參與。
最后，我對(duì)這次報(bào)告做一個(gè)總結(jié)：
1. 空間環(huán)境隨著人類空間活動(dòng)需要變得也越來越重要，由此產(chǎn)生了一門新的空間天氣學(xué)。
2. 空間環(huán)境探測(cè)將向更大的范圍，更高精度多參量發(fā)展，空間環(huán)境研究前沿是空間系統(tǒng)各層次物質(zhì)和能量耦合、傳輸及相互作用。
3. 多點(diǎn)、多手段、數(shù)字化、自動(dòng)化、網(wǎng)絡(luò)化和立體化是地基空間環(huán)境探測(cè)的發(fā)展方向，空間直接探測(cè)與地面遙感探測(cè)互為補(bǔ)充，缺一不可，共同促進(jìn)空間物理科學(xué)研究。
4. 我國(guó)空間環(huán)境探測(cè)研究發(fā)展面臨著大好機(jī)會(huì)，抓住機(jī)遇將會(huì)有力推動(dòng)研究所空間物理學(xué)、地磁學(xué)和行星物理等學(xué)科發(fā)展。
【討論和交流】
王謙身：下面開始討論，有誰先發(fā)言。
許榮華：我是學(xué)地球化學(xué)專業(yè)的，與空間物理有如隔山隔行。下面請(qǐng)教幾個(gè)問題：
1. 在地球上，風(fēng)形成的原因是空氣流動(dòng)產(chǎn)生壓力差造成的。這里所說的太陽風(fēng)或太陽輻射，也是太陽上存在壓力差造成的嗎？
2.為了觀測(cè)空間環(huán)境變化，建立了許多工作站，主要沿子午線建的。而在南半球，咱們的觀測(cè)站少，對(duì)咱們的觀測(cè)有影響嗎？有在南半球建站的想法嗎？
3.地球化學(xué)的儀器設(shè)備在國(guó)際上比較先進(jìn)，水平高，但國(guó)內(nèi)自己造的較少。你們臺(tái)站上的儀器設(shè)備，國(guó)內(nèi)自己造的較多，而且獲得了較好的觀測(cè)數(shù)據(jù)。你們的儀器有那些是超過國(guó)際水平的？
寧百齊： 1.太陽輻射、太陽風(fēng)與熱核反應(yīng)有關(guān)。太陽上完全是帶電的等離子體，我個(gè)人認(rèn)為，應(yīng)該是有壓差。太陽風(fēng)是指高能帶電粒子，而輻射是一種高能量。
2.關(guān)于觀測(cè)臺(tái)站的布局，受我國(guó)面積所限，只能在最北的漠河、最南的三亞建臺(tái)站?，F(xiàn)正考慮建國(guó)際子午圈線。由我們國(guó)家牽頭，把澳大利亞、東南亞、俄羅斯、美國(guó)、巴西等國(guó)家都包括進(jìn)來，稱作國(guó)際子午圈線。
3.關(guān)于觀測(cè)儀器，我們國(guó)家自己也做了一些，如地震局和物探局都研制了一些儀器。我們單位也做了一些。但噪聲較高，還是國(guó)外的先進(jìn)一些。
林世昌: 我是電子所的，我們單位研究的是微觀的東西，如電子發(fā)射等。你們地質(zhì)地球物理所研究的都是大玩意，如地球、地震等，今天學(xué)到不少的東西。你們研究的是空間的范圍，在高空。我們電子所研究的是30千米以下的范圍。最近，電子所、遙感所和光電院聯(lián)合成立中科院的空天信息研究院，這也是很振奮的一件事情。
寧百齊：叫中科院的創(chuàng)新研究院吧？
林世昌：對(duì)，叫創(chuàng)新研究院。我們單位也做過一些與地質(zhì)地球物理所有關(guān)的項(xiàng)目，如做過探地儀器、在三亞臺(tái)站的雷達(dá)研究中，我們所也參加了一部分。你們研究的空間環(huán)境，從太陽一直到地上30多公里，這個(gè)范圍所發(fā)生的事情，究竟與人類活動(dòng)有什么關(guān)系，請(qǐng)給我們講講。
寧百齊：這個(gè)問題，我不一定回答的好。人類的活動(dòng)基本都在地面的大氣層里?，F(xiàn)在的發(fā)展是向更高更遠(yuǎn)的空間，比如飛船、航天等等。如果將來的戰(zhàn)爭(zhēng)發(fā)生在空間的話，就必須對(duì)空間環(huán)境有足夠的了解。因?yàn)橐坏┨栍谢顒?dòng)，就會(huì)影響空間飛行器的正常運(yùn)行，導(dǎo)彈不能正確入軌、定位出偏差。
沈萍：我是地震局的。不久前，地震局發(fā)射了一顆“張衡一號(hào)”衛(wèi)星，用于研究空間磁場(chǎng)和地震的關(guān)系。地面的有關(guān)實(shí)驗(yàn)室緊密配合。我想問一下，你們的實(shí)驗(yàn)室還做過一些什么研究?
寧百齊：我們主要研究的是日地空間環(huán)境的整個(gè)的耦合，相互作用，太陽、能量和物質(zhì)的耦合。地球內(nèi)部的變化，如磁場(chǎng)的變化，會(huì)向地球空間傳播，我們也觀測(cè)到了這些來自地球內(nèi)部的微小變化，觀測(cè)到了地震的波動(dòng)。這些來自地球內(nèi)部的微小信號(hào)的來源很復(fù)雜，目前還不能用它來預(yù)報(bào)地震。地震局經(jīng)過幾年的努力，把“張衡一號(hào)”送上太空，但它的觀測(cè)儀器，大部分是探測(cè)空間環(huán)境的，如磁場(chǎng)、粒子活動(dòng)等，從中找到有關(guān)地震的信息。
丁雁生： 我是力學(xué)所的，是爆炸力學(xué)專業(yè)的，真是天外有天，今天聽了報(bào)告，學(xué)到了許多東西。我今天想了解一下，空間環(huán)境與力學(xué)有些什么關(guān)系?？臻g環(huán)境有變化會(huì)影響飛行器的飛行，探測(cè)空間上去的運(yùn)載工具與力學(xué)有關(guān)等等。在空間環(huán)境的研究中，我們力學(xué)所能幫著干點(diǎn)什么？
寧百齊：我覺得任何東西都與力有關(guān)，小到原子核有核力，大到能感覺到的引力。力的作用很多。太陽風(fēng)、粒子活動(dòng)都受到力的控制。
國(guó)連杰：今天聽了空間環(huán)境的報(bào)告，了解到許多知識(shí)。我想提出幾點(diǎn)看法。空間環(huán)境、地質(zhì)、地球物理等研究的對(duì)象太復(fù)雜了，有很多不可預(yù)測(cè)的東西，很多內(nèi)容都研究不清楚，而空間環(huán)境的研究進(jìn)展如此之快，我有所擔(dān)心，是否已對(duì)局部有所控制。地磁場(chǎng)最近的一次轉(zhuǎn)變是在78萬年前，是如何測(cè)定的。還有就是經(jīng)常提到耦合，所有都是耦合的嗎？空間的規(guī)律都遵循這個(gè)規(guī)律嗎？
寧百齊：對(duì)于空間環(huán)境能否控制，因地球發(fā)出的能量太小，很難控制空間環(huán)境。人類知道有些空間災(zāi)害會(huì)影響空間飛行器，為了避免強(qiáng)輻射，就把飛行器的厚度增加，等等一系列措施。關(guān)于磁場(chǎng)反轉(zhuǎn)，是由古地磁巖石倒轉(zhuǎn)測(cè)定的。關(guān)于耦合，最早研究太陽，是孤立的研究太陽，后來發(fā)現(xiàn)地球上的一些變化，也會(huì)影響空間的一些變化，盡管影響很小。所以很多事物的變化都不是孤立的，都在互相影響。關(guān)于空間規(guī)律是否符合物理規(guī)律？可以說都符合物理規(guī)律，都能解釋空間現(xiàn)象，如地磁運(yùn)動(dòng)、機(jī)械運(yùn)動(dòng)、相對(duì)論，最近提的較多的暗物質(zhì)、黑洞的預(yù)測(cè)等等。
王謙身：暗物質(zhì)是怎么一回事？
寧百齊：關(guān)于暗物質(zhì)的大概意思是說，天體運(yùn)行應(yīng)該有一個(gè)固定規(guī)律，如太陽、行星的運(yùn)動(dòng)。但通過觀測(cè)，它們不按這一規(guī)律運(yùn)行，于是就認(rèn)為必定有一種物質(zhì)在操縱。還有就是宇宙空間，我們能觀測(cè)到的，有太陽、行星和各種粒子，但這些只占宇宙空間的15%左右，我們看不到的百分之八十幾，也應(yīng)該是物質(zhì)，它們就是暗物質(zhì)。
湯克云：我談一下對(duì)暗物質(zhì)的了解。我們知道有銀河系，銀河系外的一些行星圍繞銀河系按軌道運(yùn)轉(zhuǎn)，這是可以觀測(cè)到的，但是，觀測(cè)到的與用牛頓定律計(jì)算出來的結(jié)果對(duì)不上，就認(rèn)為有一種暗物質(zhì)在起作用。還有就是用光學(xué)的辦法看不到的宇宙中的物質(zhì)，叫暗物質(zhì)。而暗能量，在天文觀測(cè)中發(fā)現(xiàn)空間在膨脹，行星之間的距離在變大，有一種排斥力在起作用，這種排斥力就稱作暗能量。
孔祥儒：首先感謝寧百齊研究員的報(bào)告，提升了我們對(duì)空間的認(rèn)識(shí)和了解。今天聽了空間環(huán)境的報(bào)告，感覺很振奮，感覺我們?cè)谶@方面的科學(xué)研究發(fā)展真快?，F(xiàn)在的子午鏈所涉及的范圍實(shí)際就是地球上的某個(gè)段，還沒有形成地球的鏈。將來通過國(guó)際合作，形成地球的臺(tái)鏈，涉及的范圍就很大了。你在報(bào)告中提到的測(cè)高儀，能控制多遠(yuǎn)，可能需要加密，才能提高解釋的精度？對(duì)于空間環(huán)境的觀測(cè)，尤其是大的地磁事件，用天文的手段在很短暫時(shí)間可觀測(cè)，只能觀測(cè)到瞬間的變化。而地磁的變化可以保持較長(zhǎng)的時(shí)間，用地磁的手段可以觀測(cè)的時(shí)間長(zhǎng)、更全面，進(jìn)而預(yù)報(bào)更大的地磁事件。因?yàn)榇蟮牡卮疟?huì)影響到地面的電網(wǎng)。加拿大的電網(wǎng)就曾受到地磁暴的影響，使電網(wǎng)運(yùn)轉(zhuǎn)癱瘓。我們國(guó)家的西北建立了許多大的超高壓電網(wǎng)，如何提前預(yù)報(bào)地磁暴的發(fā)生，我們國(guó)家也提到日程上來了?？臻g變化對(duì)地面的影響很大，這次發(fā)射的“張衡一號(hào)”衛(wèi)星，配置了電磁儀進(jìn)行觀測(cè)，專門觀測(cè)空間的變化，用“張衡一號(hào)”衛(wèi)星觀測(cè)的數(shù)據(jù)預(yù)報(bào)地震，難度很大。今年是汶川大地震十周年，在有關(guān)的會(huì)上，沒有再提地震預(yù)報(bào)，而是提地震預(yù)測(cè)和地震預(yù)警，因?yàn)榈卣痤A(yù)報(bào)太難了。再次感謝寧百齊研究員的報(bào)告。
湯克云：聽了今天的報(bào)告，我感到我們的觀測(cè)儀器、觀測(cè)技術(shù)和國(guó)際合作方面，都取得了巨大成績(jī)。記得我在2000年給氣象局的人員做這方面的科普講座時(shí)，講的物理方面的內(nèi)容，與現(xiàn)在的內(nèi)容基本一致。但儀器和觀測(cè)能力方面，發(fā)展太大了，尤其跟國(guó)際合作，使研究空間環(huán)境方面的工作，有了更大的發(fā)展。為你們?nèi)〉玫某煽?jī)高興。
王謙身：今天的活動(dòng)，到此結(jié)束。再一次感謝在座的老同志。
【結(jié)論和建議】
1. 把觀測(cè)臺(tái)鏈擴(kuò)大，更大程度的觀測(cè)和了解空間的各種信息。
地質(zhì)地球所建立了空間環(huán)境探測(cè)平臺(tái)，有一個(gè)觀測(cè)臺(tái)鏈，在國(guó)內(nèi)最北邊的漠河，往南有北京和武漢，最南邊有三亞等觀測(cè)站，另外在北極的黃河站和南極的中山站都建有臺(tái)站觀測(cè)。目前國(guó)內(nèi)通過GPS衛(wèi)星觀測(cè)的，已有34個(gè)觀測(cè)點(diǎn)，地質(zhì)地球所建有數(shù)據(jù)控制中心。
現(xiàn)正考慮建國(guó)際子午圈線。由我們國(guó)家牽頭，把澳大利亞、東南亞、俄羅斯、美國(guó)、巴西等國(guó)家都包括進(jìn)來，稱作國(guó)際子午圈線。
2.加密儀器觀測(cè)，提高解釋的精度。
目前在國(guó)內(nèi)設(shè)有觀測(cè)站和許多觀測(cè)點(diǎn)，今后根據(jù)需要，可能還要增加一些觀測(cè)點(diǎn)，配備有關(guān)儀器，提高解釋的精度。
