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空间科学探测与空间天气

主办单位: 中国科学院老科协
承办单位:中国科学院老科协国家空间科学中心分会
举办时间:2019-09-16       【字号: 访问量:

目录

简介
主持人致辞
主旨报告
讨论与交流
主要专家简介:
  1.                庞红勋(主持人), 中科院老科协国家空间科学中心分会理事长。中科院国家国家空间科学中心研究员,原空间科学工程中心副主任,综合计划处长、工程总体办公室主任。
  2.                刘  勇(主旨报告人),中科院国家空间科学中心空间天气国家重点实验室研究员,美国新罕布什尔大学博士,中国科学院百人计划入选者。
  3. (以下按姓氏笔画排列)
  4.                叶晓蔚,中科院国家空间科学中心五级职员
  5.                朱光武,中科院国家空间科学中心研究员
  6.                许彦琴,中科院国家空间科学中心五级职员
  7.                李亚南,中科院老科协办公室主任助理
  8.                吴汉基,中科院国家空间科学中心研究员
  9.                邱  理,中科院国家空间科学中心原空间科学工程中心主任
  10.                张玉涵,中科院国家空间科学中心研究员,中国科学院空间应用工程与技术中心顾问、中科院老科协国家空间科学中心分会副理事长
  11.                张志林,中科院老科协顾问,原人事局局长
  12.                张金辉,中科院国家空间科学中心七级职员
  13.                张新民,中科院国家空间科学中心研究员,中科院老科协国家空间科学中心分会副理事长
  14.                陈  涛,中科院国家空间科学中心研究员
  15.                陈斯文,中科院国家空间科学中心高级工程师,中科院老科协国家空间科学中心分会名誉理事
  16.                班守正,中科院国家空间科学中心研究员,中科院老科协国家空间科学中心分会副理事长
  17.                桂文庄 ,中科院原高技术局局长,研究员,中科院老科协副理事长
  18.                郭时雍,中科院国家空间科学中心研究员
  19.                黄永年,中科院国家空间科学中心研究员
  20.                常德章,中科院国家空间科学中心研究员
  21.                麻莉雯,中科院老科协办公室主任
  22.                路  立,中科院国家空间科学中心研究员
  23.                蔡金荣,中科院国家空间科学中心研究员
  24.                熊蔚明,中科院国家空间科学中心研究员
展开

【简介】

 

在空间探测领域,到目前为止,人类发射的深空探测器,飞离太阳最远的是“旅行者”号,已经飞出了太阳风球层外,进入到恒星际空间。在它四十年慢长的飞行中,有哪些有趣的发现?在这个飞行计划设计和实施过程中,又有哪些引人深思的故事?

距离太阳最近的“帕克”号探测器,携带着探测仪器,顶着太阳附近的高温和强辐射,去触摸太阳日冕周围的粒子和磁场。这个计划的探测目标是什么?它研究的科学问题对我们的生产和生活有怎样的影响?

本世纪以来,在中国科学院战略性先导科技专项的支持下,我国也开始了一系列的空间科学卫星计划,取得了一系列令人瞩目的科学成果,这在我国空间科学发展中产生了重要影响?

随着空间探测的发展,空间天气对空间中飞行安全的影响越来越引起关注,如何及时准确的预报空间天气,减少灾害性空间天气事件造成的影响?

本次沙龙围绕这些问题,研讨国际空间科学探测的进展,同时也对正在实施和预研中的,以空间天气为研究目标的,太阳风暴的起源和形成灾害性空间天气过程的科学卫星计划发表意见。

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【主持人致辞】

 

庞红勋:各位领导、各位专家上午好,今天沙龙的主题报告是《空间探测与空间天气》, 报告专家是中国科学院国家空间科学中心空间天气国家重点实验室刘勇研究员。他2006年毕业于美国新罕布什尔大学,获博士学位。2012年入选中国科学院百人计划。下面请刘勇研究员作报告。

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【主旨报告】

 

刘勇:空间科学探测与空间天气

一、什么是深空?

太阳系中的卫星,从内到外按顺序分别是水星、金星、地球、火星、木星、土星、天王星和海王星。习惯上把木星及木星以外的太阳系区域都叫深空。

图1  太阳系行星和小行星带

(从内至外显示的轨道依次是水星、金星、地球、火星、小行星带、木星、土星、天王星、海王星、柯伊伯带的轨道)

二、为什么要探测深空?

除了木星,土星等气态大行星以外,在海王星以外还存在着布满了小行星的柯伊伯带。研究这些气态行星和小行星的物理和化学性质能帮助科学家了解太阳系形成的过程,甚至地球生命的起源,这是进行探测深空的一个重要原因。

除了科学研究以外,深空探测还有潜在的应用价值,深空中的小行星或者其他天体上可能存在着地球上不多见的稀有金属材料,发现这些可用的资源,开发太空采矿技术也是深空探测的重要目标之一。从人类文明传承的角度来说,人类总有一天需要拓展生存空间,开展深空探测为未来的星际旅行进和殖民外星球打下技术基础。

图2  行星采矿假想图

三、国际上进行了哪些深空探测计划?

到目前为止, 国际上已经进行了多次的木星探测和土星探测, 取得了大量的科研成果。 比如发现木星系统就像一个缩小版的太阳系,几十颗大大小小的卫星围绕在木星旋转。土星也有形形色色的卫星,土卫二地下含有大量的水,不知道水里面是不是也有生命的存在,还有一颗土星卫星上面布满了陨石坑。

图3  土星的卫星

深空探测到目前为止最成功的是美国发射的旅行者号飞船。从70年代发射到现在,两艘旅行者号飞船已经工作了四十多年,飞行了100多亿公里。现在还在发送探测数据回地球供科学家研究。到目前为止,旅行者号已经穿越了日球层边界。日球层是从太阳散发出的太阳风物质所占据的空间,不是天文学家说的太阳系。严格意义上说,太阳系的范围是指太阳引力所控制天体构成的范围,一直延续到几万甚至数十万天文单位距离(1个天文单位(A。U。)=149597870千米 )以外的奥尔特星云。旅行者号还需要再飞行几百年才能抵达太阳系真正的边界。不过现在旅行者号已经进入了恒星际空间,这是人类历史上从来没有飞行器抵达过的区域,有很多科学奥秘等着我们去探索和发现。

图4  旅行者1号和2号在太阳系中的旅途

四、我国的深空探测计划

我国也计划开展深空探测。我国将在明年发射火星探测飞船前往火星进行科学探测,木星探测也在计划中,另外我国还计划开展小行星的探测。除此以外,我国的科学家还计划发射飞向日球层边界的飞船,计划在我国建国100周年的时候,我国的飞船抵达100个天文单位外的日球层边界,以此来纪念伟大的建国一百周年。

图5  建造中的中国火星车

五、研究空间天气的重大意义

空间天气是指能影响空间和地面技术设施和人类安全的空间环境。需要解释两点:一是空间天气既影响人类的空间设施,也会影响地面的设施;二是空间天气主要受太阳影响。

随着技术进步,空间探测的飞行越来越多。空间天气和环境也就显得越来越重要了。可以类比一下我们日常说的天气,通常我们会关心我们居住的城市的天气,出门旅游会查一下目的地天气。因为我们人类需要登上太空或者是发射飞上太空的飞行器,空间的天气就像旅游的目的地天气一样重要。

图6  空间天气影响人类活动

空间天气影响地面通信,而且差点导致了世界毁灭。 这并不是危言耸听,而是曾经发生过的事实。1967年5月23号早上,太阳爆发了20世纪最大的一次风暴,导致美国的军事通讯手段、通讯系统中断了小半个月。当时正是“冷战”时期,美国军方包括总统,一致认为是苏联在进行干扰,是发动大规模核打击攻击的前兆,准备启动所有的战略导弹去打苏联了。幸好当时有科学家认识到这次通讯中断是由于太阳爆发引起,这才避免了一场可能导致地球毁灭的战争。

图7  太阳风暴差一点引起核战争

无独有偶,2001年的一次太阳爆发事件也差点引发了中国和美国之间的大规模冲突。当时一个太阳爆发发生在南海撞机事件之后,影响了中国在搜救行动中的通信。如果不及时发现通信中断的原因,也有可能被误判为美国军队的干扰行动,说不定也会主动出击。还好当时有科学家及时发现了通信中断的原因,也避免了中国和美国之间更大规模的冲突。

图8   南海撞机事件中牺牲的飞行员王海

受太阳爆发影响导致的空间天气不仅仅限于地面的通信,影响更多的要数空间飞行器。1994年的一次大的太阳风暴损坏了日本通信卫星,导致股票信息不能及时传递到用户,造成的经济损失高达数千亿美元,类似的例子举不胜举

图9  通信卫星

我们即将进入5G时代,人类对高技术产品的依赖越来越强, 空间天气也会越来越多的影响人类的生产和生活。为了研究空间天气现象,国外发射了大量的卫星计划来研究太阳风暴的起源,以便更好地预报空间天气。

图10  各国以空间天气探测为目标的卫星计划

图11  近距离探测太阳的“帕克号”飞船

我国的第一颗科学卫星“双星计划”就是以研究空间天气为目标。到目前为止,双星计划已经结束。中国科学院先导专项又计划发射SMILE 卫星计划和 ASOS卫星计划,对太阳风对磁层的影响以及太阳风暴的起源进行观测。这两个卫星计划的实施将会提高我国空间天气预报的研究水平,不过还需要发射更多的空间天气卫星来研究空间的环境受太阳风暴影响的问题。

图12  中科院西安到专项的Smile 卫星计划

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【讨论与交流】

 

张玉涵:咱们国家在深空探测方面,战略思想是什么样的?有些什么样的动作、部署?另外请问刘勇博士,从你们学科领域讲,你们在这方面有什么想法?深空战略更适合我国需求的?

刘  勇:国家强大了,空间科学、空间探测是一定要做的。第一个,我们明年去火星,而且我们是绕过火星回来,一次完成,主要是到火星上看看有没有生命。

我们大家都知道,在几十亿年前,火星其实跟地球的环境很像,它比那个时候的地球更适合生命生存。还有个说法是,地球的生命,其实就是火星来的,因为地球上能找到火星的陨石。当然,现在大气层非常非常稀薄,温度忽高忽低,也可能从某个角落,甚至土壤下面,还埋藏着原始微生物,我们可以采集一勺土去分析分析有没有可能有微生物。

还有我们知道火星上有水,亿万年前火星上有江河湖泊,现在也能看到有河道冲刷的痕迹。那么这些水是怎么跑掉的?我们曾经做过测活性的粒子怎么是逃离出去的?火星的粒子有很薄的大气层,所以它逃离要更快一点,所以失去了水。那么逃离到底多快?我们可以通过定量的测量,把它分析出来。

另外我们国家还准备去木星,我们还有一个计划是准备去恒星际空间,我们希望在建国100周年的时候,飞出日球层,飞到离太阳100个天文单位的区域,这是我国目前几个大的计划。

我个人觉得科学探测,怎么样把这个问题做深,怎么样设计仪器、设计飞船?飞船要尽快的到达地方,现在我估计至少十年以上。

第二,我们希望做科学探测,去研究太阳系怎么形成的,去看一看日球层顶,它的形成,对于我们了解太阳系的形成,会有什么样的启示?地球怎么演化?太阳系怎么演化?

张玉涵:我们研究太阳系也好,研究宇宙形成也好,到底跟我们人类有什么关系?有人说火星就是地球的未来,依此类推,是不是金星就是未来的地球呢?但是,从我们现在所掌握的金星和火星了解来看,金星比火星还要差,我们就很困惑了,人类花这么大的精力、这么多的钱,宇宙中间这么个小米粒范围内,到底对我们有什么用?

桂文庄:这个有点太功利主义了。我觉得科学研究,人类对宇宙探索、对未知的探索,首先是科学知识的发展,不一定非要马上有什么。人类的奇心也是推动科学发展的重要的方面,不能否定掉。现在看不到应用前景,不等于未来没有应用前景。不能太短视了。

第二个,这些事都涉及到非常前沿的科学技术的发展,对它的研究,对它的这种设计工作,都能带来技术的巨大进步,这些技术的推动,一定会应用到很多很多地方去。

张玉涵:最终还是要研究在我们生存的环境当中,太阳系里面的一些物理现象,如何影响到地球,影响到我们地球现有的生存条件。

桂文庄:空间天气的问题,恰恰就是这样一个非常非常重要的问题,对我们地球环境、空间探测都有重大意义,确实是非常值得研究。国家在空间中心建立一个国家空间天气重点实验室,实施了子午工程,空间计划,都是解决这些问题的。

另外像探测火星,将来还要探测木星,我们将来会去了解太阳系的各种各样的问题,也会带来很多新的知识的发展,将来也会对人类认识自己、地球、环境,发生很多的影响。请问刘勇博士,这样非常庞大的计划,除了我们国家有这样的想法?国际上是什么样的?我们有没有可能有一些国际合作来共同的参与人类命运共同体,共同来探讨我们所居住的太阳系。

刘  勇:我相信肯定有,但我没有特别去调研。

庞红勋:刚才说的有关深空探测国际合作,国家2010年开始了深空论证工作,对小行星的探测已经提到议事日程,据说到2019年的年底,有可能立项对小行星的探测计划,这里就有国际合作的因素在里面,现在由空间技术研究院嫦娥二号卫星总师来主持,我院欧阳自远院士等都参与了前期论证工作。

常德章:小星星探测很适合于我们的国情。它现实度非常大,而且工程量也小得多,适合我们这种还不算发达国家的水准,我觉得咱们应该加紧。

第二我想说,要做点贡献,对国家做贡献,对人类做贡献,咱们想到外星“殖民”,这种事儿,我觉得是神话,基本不可能的,因为还没有找到比地球更好的移居地方。

所以探测火星,咱们是不是重点以火星为鉴,为地球的未来做一些考虑?因为咱们知道,火星在多少年以前是一个宜居星球,慢慢的,上面那些水分、空气都逃逸掉了,空气密度只有地球的1%,它的前车之鉴,也是地球的未来,咱们吸取它的教训,改善地球。

黄永年:技术进步是没有问题的,在科学上有什么新的发现?

刘  勇:比方说新的卫星,我们在地球上没有看到,去土星上看的到。我刚才介绍的环土星卫星的喷泉,都是新的发现。包括木星,木星表面上这么多纹,木星的大红斑,它有些漩涡,都知道它是台风,但这么大的台风一直刮,是怎么形成的?我们在解决这些理论过程,发现更多更有趣的现象。

庞红勋:科学的探索,引领了或者是推动了技术的发展。

路  立:我开始做太阳物理,后来做空间物理,我选择空间、选择太阳,是把它作为地球上无法实现的实验室。空间探测是一个很朴素的问题,就是想知道空间上所发展的能量过程,它的因果是什么? 一个小的目标提出来,如果能够得到科学的支持,会让我们的空间物理走得更稳,更有前景。

吴汉基:我们每天有天气预报,你们空间天气指的是什么?对地球的环境有什么影响?

路 立:我们在80年代的时候,把黑子的发展过程,做成月报,就是太阳辐射出来的能量变化过程。

张玉涵:如果细心的注意国家的气象预报,就会发现现在气象预报的很多用词和六七十年代不一样,已经逐渐把天气预报和气象预报的概念分开了。天气预报影响着地球气象预报,这就是我的理解。

实际上,很多天气,太阳风、地球磁场的变化,还有离子,高能离子辐射等问题,直接影响到地球空间内大气层内的气象环境的变化,气象预报是临近空间20公里内,大气运动的变化,属于气象预报的范畴。

邱  理:空间天气不仅仅是对我们人类有影响,对电力、通讯都会产生。主要是太阳这个源,会发生变化,太阳的每一次爆发,很快会影响我们。

常德章:空间天气预报是钱学森先生给我们所定位的。钱学森建五院的时候,定位的505所,就是空间环境,做空间天气预报员。

张玉涵:现在的天气预报,已经超出这个范围了,除了航天影响,也关系到地球深层环境的变化,因为现在的科学发现,空间天气的变化和地球气象的变化,是紧密耦合的。

张新民:我们首先应该把空气天气和地球气候之间的关系,或者影响先描述一下,现在做的探索和研究有哪些?怎么样做预报和防护?怎样应用?这个思路,我们写清楚,大家都喜欢听。

庞红勋:咱们今天选这个沙龙的主题,有一个背景,去年中国科协在全国范围内征求目前重大的科学和工程技术问题,经过了一年征集,经过了好几百位的专家评审,在近千个科学问题和难题中,选出了60个认为重大的科学和技术问题,这个即时的空间天气预报,就是刘勇研究员提的一个课题,去年中国科协在杭州的年会上,已经公布了。

陈斯文:空间天气和大气耦合,这两个实际是分开的。1961年的时候,我们在安徽搞火箭,跟钱学森一起去看了。钱学森说你们所应该以后搞空间天气,以后卫星上去,到底空间天气什么样?什么时候发射?有什么影响?我们地面的天气预报,特别是在手机上能看到雷达的云图都非常清楚,但空间预报,还是欠缺的,总是还是很局部的东西,没有像地面天气做得那么细,所以这方面的工作,我们所应该责无旁贷的去做这个工作。

刘  勇:跟您坦率的说,业界公认的,现在的空间天气预报跟天气预报还差30年到40年。

桂文庄:跟我们30年前天气预报的水平差不多,是这意思吧?

刘  勇:是的。

常德章:举个例子,我们的天气预报,不会有漏掉的。美国的大城市,每15分钟预报一次,我观察了一下,它说下雪就真下雪。

桂文庄:天气预报是期间越短越准。

张玉涵:比较水平的高低不在于短期预报,中长期的预报是最重要的。

常德章:有一星期报的,还有15分钟一报的。

庞红勋:今天有各个方面的专家,因为时间有限,今天的交流探讨阶段到此为止,欢迎桂局给大家讲话。

桂文庄:谈点感想,今天的主题非常有意思,非常吸引人,在座的都是我国空间科学方面的专家,大家对这个题目也提出了非常多的看法,我觉得非常好。

今天讨论的两个主题,都是非常重要的主题,一个是深空探测的问题。深时空探测这件事儿,好像离我们日常的生活稍微远一点,但它是现在科学技术的前沿,也是很多发达国家,欧洲、美国、俄罗斯,都在努力做的事情。为什么要去做?我想今天讲得很清楚了,一个是科学发展本身的自身规律,还有是好奇心驱动,这个永远是科学发展的一个重要的驱动因素。第二就是人类对未来家园的追求、探索,说地球再过一千万年就不行了,这不见得,但人类会探索,我们通过行星的探测,来预测地球会怎么发展?怎么演化?会不会也变成火星那样荒芜人烟啊?这些问题,对我们的环境,对我们地球上怎么更好的去生活,还是很有意义的事儿。

第三,非常重要的,科学带动技术的发展,这是毫无疑问的。我们想一想,现在很多的民用技术,是在军事需求推动下带动的,比如说,我们大家最常用的离不开了的互联网,最早就源于美国军方的计划,这样的例子太多了。科学前沿的推动会带来非常多的技术,这些技术的发展,不仅是军事应用,而且对民用技术会有很大的推动作用,这些应用的发展,一定会造福人类。所以深空探测这块,是非常吸引人的一个话题。

另外,像探月工程这样的计划,轰动效应也是很大的。如果我们又搞了火星的探测,对增强我们国家人民的自豪感和对自己国家发展的信心,都是很有好处的,所以我们科学院要牵头来规划深空探测计划。

第二个主题,空间天气,这是一个更为实际、非常重要的事情。刚才几位老先生都谈到了,搞好空间天气的预报,保障我们的航天事业建立,是我们研究所当粗建立的重要使命之一。但空间天气搞了这么多年,预报水平还是气象预报30年前的水平,这显然不能适合我们国家现在发展需要。

这个题目,还可以做更加深入的探讨。一方面我同意空间天气这个说法,虽然老百姓不大好理解,老百姓理解的就是普通的天气预报,我们还是需要做科普,做宣传,使得老百姓知道这个事儿,大家来共同支持我们这方面的工作。

另一方面,这里面牵扯到很多很多问题,比方说数据的问题,模型的问题,空间物理机制的问题等等,加上我们现在还要探索空间天气对大气环境的影响,以后还会遇到,不仅仅是我们搞空间物理的人,还要和搞气象的人,搞环境的人结合起来,是一个非常交叉的学科,这方面一定有非常巨大的发展前景。

从需求上来说,我们把预报做得更好一些,更准确一些,能为我国的航天事业提供更好的保障。随着现代科技的发展应用,空间天气还会越来越多地影响到民生的问题,所以我们应该继续把这个学科发展得更好。大概在十几年前,我和王赤交流过,我问我们空间天气预报发展到什么程度?能预测到什么程度?他说很难,不像大气,数据量非常非常丰富,空间天气的数据量少很多,所以有一定的难度,但也有很多物理机制需要进一步研究。所以这件事情做好,未来有很好的发展空间。

总的来讲,今天这个题很有意思,讨论很好,刘勇博士讲得好,空间中心整体做得也非常好。

庞红勋:应该说按照社会需求来做,我们还有很大的努力空间。今天的沙龙说到这里,谢谢大家。

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