空間科學

空間科學

空間科學(space science)是指利用航天器研究發生在日地空間、行星際空間及至整個宇宙空間的物理、天文、化學及生命等自然現象及其規律的科學。空間科學以航天技術為基礎,包括空間飛行、空間探測和空間開發等幾個方面。它不僅能揭示宇宙奧秘,而且也給人類帶來巨大的利益。

  • 中文名稱
    空間科學
  • 外文名稱
    space science
  • 奠基時期
    20世紀以來
  • 包    括
    空間飛行、空間探測和空間開發等

發展簡史

歷史淵源

自古以來,人類就向往著宇宙空間。在漫長的歲月裏,先輩學者傾註了很大的精力去觀測和研究發生在地球周圍空間(近地空間)、太陽系空間及更遙遠的宇宙空間的自然現象。如早期對地磁、天體運行、極光、彗尾、太陽黑子、太陽耀斑和超新星爆發的觀察等,對隕石進行化學分析,對宇宙物質的某些化學組成的光譜測定等,這些研究積累了人類認識宇宙的寶貴知識。

奠基時期

20世紀以來,短波無線電遠程通信試驗成功,電離層的發現,宇宙線的觀測,磁暴和電離層暴27天重現性與太陽自轉有關的發現,以及電漿振蕩的發現等,也促進了理論研究的發展,如S.查普曼和費拉羅(V.C.A.Ferraro)提出了磁穴和環電流的概念,Sir E.V.阿普爾頓哈特裏 (D.R.Hartree)建立了磁離子理論,朗繆爾(I.Langmuir)提出了電漿的概念,H.阿爾文預言阿爾文波的存在等。在實驗方面,用探空火箭拍攝了太陽的整個光譜,探測了電離層和高層大氣結構;光譜分析廣泛地用于測定太陽和行星大氣的化學組成,據此維爾特 (R.Wildt)提出了類木行星由大量氫所組成;對地外生物和地外文明也開始了探索。這些都為空間科學的形成奠定了基礎。

形成時期

50年代以後,在大量地面台站、氣球和火箭觀測及長期理論研究的基礎上,迫切要求各相關學科之間密切配合,要求全球性的協同觀測以及發展新的探測手段。1956年,在國際地球物理年大會上,美國和蘇聯宣布將要發射人造地球衛星以增強對地球物理學的研究。1957年,蘇聯首次發射了人造地球衛星,這標志著人類進入了空間時代。從此,許多國家和團體發射了大量的空間飛行器並進行了廣泛的多學科的研究,促使空間科學迅速發展。

20多年來,人們對近地空間環境進行了大量的普查,發現了地球輻射帶、環電流,證實了太陽風、磁層的存在,發現了行星際磁場的扇形結構和冕洞等;月球探測器和"阿波羅"飛船載人登月,對月球進行了探測和綜合性研究;行星際探測器系列對行星進行了探測,並由對內行星發展到內外行星的探測;天文觀測衛星系列對太陽、銀河輻射源、河外源,在紅外、紫外、X射線和γ射線波段進行了探測。在取得上述進展的同時,空間生命科學也相應地迅速發展起來。例如研究人在空間長期生存的一系列問題,包括在失重、超重、高能輻射、節律改變等條件下人體的適應能力等;空間生物學、醫學和生保系統的研究也取得了很大的進展;關于地外生命也在進一步探索。

在70年代後期,空間科學的發展進入了更高階段。這主要表現為:對重大科學課題的研究更有針對性,並能製定周密的探測與研究計畫,同時加強了理論研究;在開展廣泛的國際合作下,進行了全球性的協同探測與研究。太空梭的出現,將開闢空間科學史的一個新紀元,成為空間時代第二階段的標志。。

學科內容

空間物理

主要研究發生在日球空間範圍內的物理現象的學科。它的研究對象,包括太陽,行星際空間,地球和行星的大氣層、電離層、磁層,以及它們之間的相互作用和因果關系。

日地物理

(即日地關系)空間物理學的主要部分,是太陽物理學和地球物理學之間的邊緣學科。它研究太陽能量的產生、輻射(包括電磁輻射和帶電粒子輻射,尤其著重于它們的變化部分)、在日地空間的傳播和對地球所產生的影響等整個過程。太陽中心部分的核聚變所釋放的輻射能,經過漫長的熱擴散過程傳至太陽的外層氣體而被吸收,產生對流不穩定性,稱為對流區。最後大部分能量作為熱能傳到光球層而向外輻射,能量主要在可見光波段內,這部分能量比較穩定。

太陽有復雜的磁場結構,黑子的磁場強度達數百至數高斯(1高斯=10-4特斯拉),它們的極性具有準周期性,因而太陽活動及相關地球物理現象也有準周期變化。凍結于對流區電漿內的磁場隨電漿的對流、湍流運動彎曲扭轉,從而產生一些強的磁場活動區,如表現在光球面上的黑子。儲存的磁能在適當條件下會被迅速釋放,表現為強烈的太陽活動,耀斑是其中最強烈的。對流區內部分電漿浮涌出光球和色球,受到加速加熱而形成日冕和太陽風。太陽風將太陽磁場帶入行星際空間,由于太陽的自轉和太陽磁赤道面稍有彎曲,從地球赤道上看,行星際磁場呈阿基米德螺旋線狀和具有磁極性相同的扇形結構,從太陽活動區浮涌出色球表面的電漿,一般又重新落到附近表面,形成閉合的穹形磁力線雙極結構,但在有些區域可能出現開放的磁力線,伸展致行星際空間,產生沿磁力線流出的高速電漿流,這樣的區域稱為冕洞。異常的太陽活動致使電磁輻射和帶電粒子流增強,增強的電磁輻射主要在紫外線、X射線、γ射線和射電波段內的非熱輻射,這兩類增強的能量雖在總輸出能量中所佔比例不大,但對地球大氣層和空間環境都產生巨大的影響。

日地物理學的發展,要求把整個日地系統作為一個有機的整體,進行定量的、綜合性的研究。

空間物理學還包括太陽-行星系統的研究。經過比較研究,可更好地理解日地系統的物理過程,從而取得對作為一個整體的太陽系的深刻理解。如地球磁層的概念,同水星木星、土星的磁層比較;地球的大氣結構與金星、火星、木星的大氣比較;地球的電離層與金星、木星、土星的電離層比較等。

空間天文學

利用空間飛行器在地球稠密大氣外進行天文觀測和研究的一門學科。人們通過接收宇宙天體的電磁輻射來研究它們的物理狀態和過程。這種電磁輻射波長在108~10-12釐米範圍內,但在地面上,僅能從可見光和射電兩個大氣視窗來觀測天體,從而發展成為天文學的光學天文學射電天文學兩個分支。空間技術的發展,開拓了紅外天文學、紫外天文學、X射線天文學和γ射線天文學等嶄新的領域。

由于大氣的湍流運動,使光波經過時產生起伏,造成光學望遠鏡的頻譜解析度和角解析度降低。將高解析度的光學望遠鏡安裝在空間實驗室裏,能顯著地提高它的分辨本領。

高能天體和激烈活動的天體現象,產生著X射線和γ射線,這包括溫度達數千萬至數億度的熱輻射和在強烈爆發過程中產生的相對論性帶電粒子所發出的非熱輻射,例如超新星爆發及其遺跡產生的輻射;當一致密星(中子星或黑洞)與一伴星形成雙星時,致密星對伴星的吸積而產生的輻射。γ射線天文學直接與核過程、高能粒子和高能物理現象相聯系,將日益得到更大的發展。

有些宇宙天體的輻射主要在紅外波段內,如原恆星、紅巨星、恆星際的氣體雲和塵埃等。活動星系和類星體既有很強的X射線、紫外線輻射,也有很強的紅外線輻射。在恆星際空間發現很多種無機和有機分子,它們的諧振頻率在波長較短的微波段內,2.7K的宇宙背景輻射主要在毫米波、亞毫米波波段內。為了進行這些探測,也要利用空間飛行器才最有利。

空間天文學的誕生,使天文學又出現了一次大的飛躍。所研究的星空迥異于地面光學和射電天文觀測到的星空。可以說,現代天文學的成就,很多都與空間天文學的發展有關。它改變了對宇宙的傳統觀念,對高能天體物理過程、恆星和恆星系的早期和晚期演化、星際物質等的了解,加深了對宇宙的認識。

空間化學

研究發生在空間的化學過程、宇宙物質的化學組成及其演化的一門學科,又稱宇宙化學。

在地球大氣層和行星大氣層中,有著復雜的化學過程,包括光化學反應過程。

空間化學研究的主要對象,包括太陽系天體、恆星、星系、星際物質和星系際物質。空間化學要研究構成宇宙物質的化學組成,包括元素、同位素、分子等,以及它們的化學演化規律。利用空間飛行器在大氣面板測,使頻譜分析波段由可見光擴展到了紅外線、紫外線、X射線和γ射線範圍;在星際空間發現了許多種分子,其中有一些是比較復雜的有機分子,如氰基、氨等;對月球和行星的化學組成進行了分析。這使空間化學研究的內容不斷地豐富起來,從而形成了空間化學。

空間化學的發展,對于太陽系的起源、天體的起源和生命的起源等重大科學問題,有著密切的聯系。

空間地質學 研究月球、行星及其衛星等天體的物質成分、結構,以及形成和演化歷史的一門學科。

月球探測器系列和"阿波羅"飛船對月球的土壤、岩石、礦物等進行了綜合研究,編製出了月球地質圖和構造圖。月球是人類在地球以外研究得最充分的天體。其次就是對金星、火星的探測,但僅限于對它們的表面的了解,如地形、山脈、裂谷、火山、峽谷和土壤分析等。所以,空間地質學還是一門較年輕的學科。

空間生命科學

研究在宇宙空間的生命現象和探索地外生命、地外文明的一門科學。

在空間時代,人和生物在宇宙空間的活動成了現實。但是,生命在宇宙空間長期生存,就有著一系列需要研究的科學問題。這包括:微重力條件、宇宙輻射環境以及生活節律的改變給人和生物帶來的影響。相應地,空間生理學、空間生物學、空間醫學以及生命保護系統的研究也取得了很大的進展。總起來說,空間飛行環境對人和生物是極其嚴峻的,但實踐證明,隨著空間生物學、醫學及生保技術的發展,人是能夠在空間飛行環境下較長期地生活和工作的。

利用空間飛行來尋找宇宙中的生命,是十分令人感興趣的重大科學問題。經過對行星的探測,特別是對火星的探測,尚未發現生命的跡象。但已在空間發現了30多種有機分子,其中有幾種屬于地球生命的基本物質。科學家們渴望能在星際空間找到更高級的有機分子形式。

探測方法

空間探測是空間科學研究的基礎。空間探測的主要類型包括:

空間飛行器

人造地球衛星、月球和行星探測器、空間實驗室、太空梭等的探測。這是空間探測的主要手段,探測的空間範圍廣、時間長。

火箭

探測的機動性強,但由于飛行時間短而受到某些限製。

氣球

比較簡便,適宜對平流層、臭氧層的探測,不足之處是探測範圍小,探測高度也受到限製。

地面台站

這是以地面為基地的間接探測方法。具有連續性和穩定性的優點,缺點是受大氣層的影響較大。在進入空間時代以後,即以空間飛行器的探測為主。地面探測是輔助性的,但仍是一種必要的探測方法。

展望

空間科學在實際套用方面已取得了很大進展,如在通信、導航、測地、氣象觀測、遙感等方面。在空間環境中,對于研製和生產高質量的單晶、多晶、合金和非晶態材料,以及高精度的電子、光學元件和特殊葯品等,將產生巨大的經濟效果。現代空間科學技術,已發展到有可能在地球同步軌道的高度建立太陽能衛星發電站,以獲得取之不盡、用之不竭的潔凈能源。空間的開發和利用已向人類展示了美好的前景。

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