太空概览

§1 绚丽多彩的太空

1.1 什么是太空

从距离地球表面大约60km处一直到宇宙边缘，这个广袤的空间区域称为太空。

根据人类目前的认识，宇宙的边缘可达120多亿光年。将太空内边界定义在大约60km，是考虑到在这个高度以上，地球稀薄的中性大气开始电离，它们的状态除了受地球引力场支配外，还受太阳电磁辐射和粒子辐射的直接影响。另一方面，从研究方法来看，描述中性大气的流体力学方法已不完全适用，必须结合电动力学的知识，也即用磁流体力学方法。

由于太空包含的范围巨大，而且其中各个区域的特性也有很大差别，通常将太空划分为几个层次，由近到远依次为地球空间（Geospace）、日地空间（Sun-Earth space）、日球（Heliosphere）和宇宙。

地球空间由高层大气（Upper Atmosphere）、电离层（Ionosphere）和磁层（Magnetosphere）构成，是人类生存与进行空间活动的区域。其外边界为磁层顶，是太阳风与地磁场相互作用形成的。在向阳面，磁层顶大约7~8个地球半径，在背阳面，太阳风将地球的磁场拉到100多个地球半径，形成磁尾。

日地空间包括太阳、太阳大气、太阳风、行星际磁场（IMF）与地球空间。太阳与地球之间的平均距离定义为一个天文距离单位1AU（1AU=1.496108km），这是一个常用的数据。日地物理学（Solar-Terrestrial Physics）主要研究这一区域的特性。

日球是太阳风、行星际磁场与星际风相互作用形成的边界所包围的区域，也是我们通常所说的太阳系。日球顶到太阳的距离大约是100AU。

太阳系由太阳、九大行星及其93个卫星、大量的小行星和彗星以及行星际介质组成。在太阳系中，太阳是中心天体，其质量占太阳系总质量的99.8%，但角动量只占1%左右。除了太阳之外，太阳系主要成员是九大行星，即水星、金星、地球、火星、木星、土星、海王星、天王星和冥王星。按相对于太阳的位置，九大行星可分为内行星(水星、金星、地球、火星)和外行星(木星、土星、海王星、天王星和冥王星)。按行星的组成分类，可分为类地行星和类地行星。类地行星包括水星、金星、地球和火星，基本上是由岩石和金属组成的，密度高、旋转缓慢、固体表面、没有环、卫星少；类木行星包括木星、土星、海王星、天王星。主要由氢和氦等物质组成，密度较低、旋转快、深的大气层、有环、大量的卫星；此外还有冥王星。九大行星都在接近同一平面的近圆形轨道上，朝着同一方向绕太阳公转。但各行星轨道不完全共面，对不变平面有不大的倾角；太阳也朝同一方向自转，太阳赤道平面对不变平面的倾角为556'。

小行星是指沿椭圆轨道绕太阳公转的固态小天体。大多数分布在火星和土星轨道之间的小行星带内。从巡天观测的照片中估计，小行星总数有上百万颗。彗星大多数是沿扁长轨道绕太阳公转的小质量天体，有云雾状的独特外貌。彗星在远离太阳时，呈朦胧雾状小斑点，在走近太阳时生出扫帚状的长尾巴。至今已观测到的彗星有1600多颗，地球上平均每年可

见几课彗星，多数是重复出现的“老彗星”，只有1～2颗是第一次来到内太阳系的“新彗星”。

与地球最近的恒星太阳，仅仅是一个普通星系银河系中几千亿颗恒星中的一员。所谓星系，就是由几十亿至几千亿颗恒星和星际气体以及尘埃物质等组成，占据几千光年（1光年=63239.8AU）至几十万光年的空间的天体系统。而星系又是星系团的成员，星系团的

直径超过上亿光年。许多星系团组合在一起，形成超星系团，而总星系，则是比超星系团更高一级的天体层次，它就是目前所能观测到的宇宙。

1.2 太空中的奇妙景象

在人类所居住的地球上，有许多令人陶醉的奇妙景象。如壮丽的山川河流、奇异的花草树木；变化莫测的风雨雷电、浪漫神奇的海市蜃楼。茫茫太空，既不象神话小说描写的那样富丽堂皇，也不象某些文人墨客描写的那样虚无缥缈。太空不是天堂，也不是真空，它充满着可见与不可见的物质，发生着有时平常、有时惊人的变化，呈现出许多太空特有的奇妙景象。

从光学现象看，太空有绚丽多彩的极光、神奇莫测的红闪与蓝急流；有肉眼看不见的气辉，还有在远离地球才能看见的地冕；地球的极光在高纬地面就可以看见，在太空看极光是什么景象？九大行星的其它8个成员有极光吗？如果有，能与地球极光比美吗？红闪与蓝急流是伴随着地球大气雷暴而发生的发光现象，但本身不是闪电，它们至今还有许多秘密未被破解。火星、木星有闪电吗？如果有，是什么形态？恒星发出的光都与太阳一样吗？超新星爆发是一种什么景象？

地球大气层的云千姿百态，小学课文有一篇专门描写“火烧云”的文章，将云的变化写得惟妙惟肖。火星也有淡淡的白云，形态变化莫测。星云则五彩缤纷，令人眼花缭乱。

地面上的风是多种多样的，有微风、飓风、龙卷风和台风。地球的高层大气有高空风，它对卫星的轨道和战略导弹的精度有很大影响。火星上的风暴是出名的，还常常产生沙尘暴。大的沙尘暴遮天蔽日，几乎遍及整个火星，地球上任何地区的沙尘暴，都无法与其相比。天王星和海王星也有巨大的风暴，它们离太阳非常遥远，不知产生这些飓风的能量来自何处。许多人听说过太阳风，其速度可达到每秒几千公里。如此巨大的风暴，却吹不掉你的帽子，因为风所携带的粒子密度太小了。还有星际风，这可是一个新问题，它是由哪些物质组成的，目前还是一个秘密。

雨是地球常见的现象，但太空的“雨”可与地球不一样。太阳爆发时，会将大量的带电粒子抛向地球，在极区进入高层大气，形成带电粒子“雨”。当地球与某些彗星的轨道相遇时，大量的碎石块和尘埃被地球吸引，进入地球大气，形成所谓“流星雨”。

地震是地球上常常发生的自然灾害，水星、金星和火星也有类似的震动吗？恒星是否发生星震？答案是肯定的，而且有些恒星一旦发生星震，其释放出的能量（以射线的形式传输）之大，连在地球附近运行的卫星都吃不消，往往要关闭仪器电源，避免被摧毁。

地球上目前仍有活动火山，每年差不多都有火山喷发的报道。太空中的其它天体有活动火山吗？答案是肯定的，如木星的一个卫星IO，其火山活动的强烈程度是地球所无法相比的。

太空还有许多现象是无法与地球上发生的事情相类比的。如超新星爆发，用天崩地裂这个词也不能反映其剧烈的程度。还有太阳耀斑、太阳日冕物质抛射（CME），一次大耀斑所释放的能量，相当于在同时爆炸几百万个亿吨级的氢弹。黑洞的引力如此之大，以至于光都难以释放出来。它还吞噬其它星体，同时放出巨大能量。最近的一次彗星撞击木星发生在1994年，碰撞所产生的能量之高是难以想象的。可是，哈勃空间望远镜还观测到星系即将碰撞的情景。如果这种事件发生，将会是一种什么样的景象呢？

1.3 为什么要探索太空

自从前苏联于1957年发射第一颗人造卫星以来，人类对太空的直接探索已经40多年，取得了丰硕的成果。太空技术影响着人们的日常生活，现在，很难设想，如果离开了太空技术，如通讯、广播、导航、气象服务等，人们的生活将会变得怎样。

尽管人类在探索太空方面取得了很大成就，但对太空的认识还只是初步的，还有许多奥

秘需要我们去揭示，有许多资源期待着进一步开发，对太空存在的潜在灾害，人类也需深入认识，并找到避免和减轻灾害的方法。

概括来说，探索太空的目的包括以下五方面：开发和利用太空资源、监测地球的生态环境、认识和避免太空灾害、太空战与太空防御以及发展太空科学。

资源是人类生产资料和生活资料的天然来源，它来自人类所处的天然环境。人类文明发展的进程，就与其所处的环境之间的关系看，一般表现为先适应环境，然后认识和研究环境，进而利用和开发所处环境的资源，以满足并改善人类的生存条件。在这个进程中，人类首先适应、认识、进而利用和开发陆地上的资源，包括土地、山、水、动物和植物等资源，进一步利用开发陆地的矿物资源。随后，对环境的认识和资源的开发扩大到海洋。20世纪初，这个进程已发展到大气层，到20世纪50年代末，扩展到太空。

太空是一个蕴藏着丰富资源的宝库，一般可将太空资源分成两类，一类称为“硬资源”，就是我们用肉眼可直接感知的资源，如在其它行星、小行星存在的矿物资源，太阳能资源等。另一类是太空环境所特有的，称为“软资源”。如高真空和高洁净资源、微重力资源、超低温资源以及航天器相对于地球的高位置资源等。在软资源的利用方面，目前主要有两类太空活动。一是民用太空活动，二是商业太空活动。

尽管太空资源已经给人类带来了巨大的利益，但由于人类的太空基础设施还不完备，对太空资源的认识、利用和开发，还需作艰苦的努力。

地球的表面积达5亿多平方千米，其中海洋占70%，达3.5亿平方千米。用传统的测量方法观测地球，经若干年来全人类的共同努力，动用大量人力，总算描绘出了地球的大概面貌。但除了人口稠密的、开发程度较高的地区面貌相对清楚外，其它地区的情况只是概略的，一般还有遗漏，甚至错误。至于所描绘的整体自然环境及人为状态，总的说来只能算是静态的。

因为传统方法对地面的观测要花很长时间，在这样长的时间内，地面的状态已发生很大变化。

当前，影响世界各国可持续发展的基本问题是环境、资源和自然灾害。环境中的突出问题是全球变化。从地理记录中可知，地球自从45亿年前诞生以来，它的物理形态经历了相当大的、各种时间尺度的变化。这种变化，有的是因自然条件引起的，有的是由人类活动引起的。随着人口增长和经济发展，人类活动对地表环境的影响作用愈来愈明显。

为了维持我们的生存环境，更为了确保人类的后代及与我们共享这个地球的其它生物有一个长期的、稳定的、可持续发展的生存环境，我们不但迫切需要对地球有一个完整的理解，而且还需要面对一切不理想的全球变化，发现和研究这些问题，以便采取一切可能的技术措施来尽快解决这些问题。只有通过太空遥感监测地球的生态环境，才能提供全球性、重复性的连续对地观测数据，用于对地球系统作为一个整体进行理解。

近年来，来自太空的一种自然灾害越来越引起人类的重视，这就是近地小天体撞击地球问题。在太阳系运行的小行星和彗星中，有些天体的轨道与地球很接近，或者与地球轨道交叉。这些小天体受大行星引力作用的摄动，可能在相当长时间以后，与地球相撞。尽管发生这类事件的几率很小，但根据历史几率记录，不能完全排除这种可能性。更重要的是，限于目前的观测手段，这种对地球有潜在危险的小天体究竟有多少，它们的轨道特性如何，目前还没有查清，需要进一步努力。

如果说小天体撞击地球问题离我们似乎太远，但另一类太空灾害问题却是常常发生的，这就是灾害性空间天气。所谓空间天气，是指太阳表面、太阳风、磁层、电离层和热层瞬时或短时间内的状态。它们的状态可能影响空间和地面的技术系统性能和可靠性，可能危及人类的生命和健康。恶劣的空间天气可引起卫星运行、通信、导航以及电站输送网络的崩溃，造成各方面的社会经济损失。

灾害性空间天气对人类的影响越来越引起人们的重视。目前，美国、欧洲空间局和中国，都已制订了空间天气研究规划。随着人类对空间天气的认识不断加深，空间天气预报水平的

进一步提高，空间天气将会象日常的大气层天气那样，引起人们普遍的关注。

尽管联合国1967年制订的《关于各国探索和利用外层空间包括月球与其他天体活动所应遵循原则的条约》明确了“外层空间为全人类所共有”的原则，尽管太空活动可以覆盖全球及其大气层，不受领土、领海、领空的限制，对一国而言似乎没有领天问题，但是，只有掌握进入太空技术的国家才能够在太空占有一席之地，取得在太空与活动的自由权。只有才能够获得从陆、海、空疆域难以或不能获得的巨大利益。

太空是没有国界的，谁有本事，谁有能力，谁先下手，谁就能占领。一个国家在太空设置了自己的太空基础设施，占领了有利于本国的空间位置和频率，这个国家才实实在在地在太空占有了一席之地，也表明这个国家开拓了天疆，或者说把国家的疆域和主权扩大到了太空。正因为如此，目前世界上很多国家都在加大人力、物力、财力的投入，以便在这个领域的竞争中占据优势。这个优势，既有利于发展经济，又有利于加强军事力量。事实上，美国早在20世纪80年代就抛出了“星球大战”计划，现在又加紧做太空战的准备。由此可看出，加强对太空环境的了解和利用，加强太空基础设施建设，对巩固国防，作好未来反侵略战争的准备，具有十分重要的意义。

太空探测是发展太空科学的基础。与其它一大自然为研究对象的学科一样，太空科学也是一门观测的学科、实验的学科。没有观测数据做基础，发展太空科学就是一句空话。事实上，太空科学的许多重要发现，都是来自于观测上的发现。当然，我们不排除理论研究的指导意义。

太空的特殊和极端的环境为许多学科的发展提供了天然实验室。目前世界上最高能量的加速器也无法获得高能宇宙线所具有的能量。因此，宇宙线起源和加速机制研究，为高能物理学提供了广阔的天地。此外，像中子星的强磁场、黑洞的强引力、恒星的震动和耀斑，都是现代天体物理学研究的前沿课题。

随着太空探索的进展，人类需加强研究的科学领域越来越宽阔。例如，研究影响细胞生物工艺学、与重力有关的机制，可进一步了解地球对生物的生存有什么限制，在太空是否能存在；在太空，利用高级光学技术可以探测有机和无机材料形成和生长期间的结构发展情况，进而可提高材料的性能；利用太空环境可以检验与技术发展有关的燃烧过程，这有助于研究在地球和太空的燃烧安全，提高燃料效率和生产新的推进剂。在太空进行的实验，可为激光制冷原子、原子钟和生物物理学研究打下理论和实验基础。

还有许多与人类同样古老的问题，也需要通过太空探索去解决，如人类是怎样起源的？在太阳系以外的恒星周围是否存在生命？宇宙是怎样起源和演化的？宇宙的结构是怎样的？