摘 要： 空間物理學日趨成熟，既豐富了人類對地球和行星空間的認識，也引申出更具挑戰性的問題。一些涉及行星演化問題的解決倚賴與其他學科的交叉探索，要求研究者從行星地球的視角出發，把地球視為一個從地核到磁層的多圈層耦合系統。作為系統外層環節的空間環境，其中的問題可通過比較行星研究的思路找到突破口?；趯W科交叉的比較行星空間物理研究將是未來空間物理學的一個重要發展方向。闡述比較行星空間物理研究的思路和必要性，梳理研究現狀，并展望研究前景。

關 鍵 詞： 空間物理； 磁層； 電離層； 行星； 比較行星學

1空間物理研究的挑戰和機遇

空間物理學主要研究空間環境中的物理過程，其發展得益于人們對于空間中各種現象的好奇心所驅動的探索行為?？v觀數千年來世界各地文明流傳下來的史料，圍繞極光、氣輝、慧尾、黑子等具有視覺沖擊力的空間現象，觀測記錄數量愈益豐富，認知思辨水平逐漸提高，衍生出多種具有地域特色的人與自然文化體系，并以神話、傳說、禮儀、哲學等形式傳承至今。尤其是封建時代的中華文明，長期推崇“天人合一”的理念，使得包括空間現象在內的各種“天象”成為影響文明進程的一個重要因素。例如，極光和慧尾等現象往往與民族興衰、王朝更迭、邦交征伐等重大歷史事件聯系起來[1].由于觀測和記錄行為具有政治嚴肅性，許多較為顯著的現象被詳細記錄下來，成為了解空間環境長期變化的重要參考資料。例如，公元 1645-1715 年歐洲和亞洲的極光觀測記錄同時大幅減少，成為孟德爾極小期存在的重要佐證[2].

空間物理學的形成與發展依賴觀測技術的進步。盡管地面觀測已持續數千年，人們始終無法知曉空間中物理過程的觸發、發展和變化機理。直到最近 100 多年，磁強計、電離層測高儀等地面觀測設備的持續運行，探空氣球、火箭和大功率雷達技術的不斷進步，使得人們終于告別裸眼觀測的時代，本質上提高了認知空間的能力。20 世紀 50 年代末期，人造衛星及其搭載的場和粒子探測儀器實現了空間實地探測，促成了空間物理研究的飛躍，使其能夠從地球物理、大氣物理、天文等學科的交叉狀態中發展起來，形成一門獨立的學科[3].時至今日，空間物理研究者已經掌握了地球空間環境中各個區域的電磁場和粒子的平均特征及其最主要的變化規律，并在一定程度上理解了背后的主要物理過程； 對行星際空間的平靜和擾動狀態也有了全局性的了解，并具備了初步的預報能力； 對太陽系其他行星的空間環境有了基本認識，并能夠歸納出其與地球空間環境的主要異同之處。如果把理論體系架構的基本完善作為學科成熟的標志，那么可以認為空間物理學正處在一個接近成熟的階段。

當前空間物理發展階段具有與其他學科同階段的類似特征。表面上看，經過數十年的觀測數據和相關知識的積累，論文產出量加速增長，研究似乎變得越來越容易。實際上是研究難度持續增加，“瓶頸效應”越來越明顯?？梢詮目臻g探測和研究行為兩方面來理解這一特征。

從空間探測來看，主要體現在從基于單衛星計劃的“普查”式研究過渡到基于多衛星計劃的針對性研究。20 世紀 60 年代前后屬于早期探索階段，地球空間的廣袤區域中充滿了未知，單顆衛星在運行過程中通?？梢援a生多個重要發現，甚至包括意外發現。借助單顆衛星探測的方法基本實現了空間大尺度電磁場和等離子體狀態的普查，確定了各區域的標志性特征，并勾勒出其基本變化規律。同時也了解到，空間中的場和粒子存在各種尺度的時間和空間變化，而單衛星探測并不能對其進行區分，于是不得不引入各種假設來簡化問題。為了突破這一瓶頸，必須采用多衛星同時探測的方式。歐洲太空局在 2000 年發射了Cluster 衛星簇，4 顆衛星聯合觀測將以亞暴為代表的全球尺度問題和以磁場重聯為代表的微小尺度問題的研究向前推進了一大步。中國在 2003-2004 年實施了“雙星計劃”,并與 Cluster 聯合形成 6 星聯測。美國航空航天局 2007 年發射包含 5 顆衛星的 THE-MIS 計劃，針對亞暴問題進行研究； 2015 發射包含 4顆衛星的 MMS 計劃對磁場重聯問題進行研究。不難看出，這些多衛星探測計劃通常設計用來解決較為具體的重要科學問題。

從研究行為來看，主要體現在對研究者的能力要求越來越高。研究能力受限于研究者的知識寬度、理論架構、邏輯思辨力、思維習慣、數據敏感度、工作經驗等方面。早期探索時期的工作方式注重于在解讀數據的基礎上建立理論，其難點在于太陽風-磁層-電離層-中高層大氣耦合鏈中單個因果關系的猜測與識別； 而現階段科學發現的產出方式則更傾向于從理論出發，鎖定證實或證偽的關鍵環節，然后有目的地尋找對應的觀測數據，其難點不僅包括因果關系的猜測與識別，更在于對現有理論的深刻認識和對觀測數據的精準理解。這些特征對研究者和研究者共同體的時間和精力構成挑戰，其最優選擇必然是根據自己的研究興趣，清楚認識研究特長，選擇最有可能在較短時間內取得重大進展的研究方向。

進一步講，空間物理現階段的本質特征可以概括為投入產出比的持續下降。就空間探測而言，衛星平臺和載荷的造價越來越高昂，卻旨在解決少數關鍵科學問題； 就研究行為而言，研究者的入門專業訓練內容逐漸增加，研究思路和研究方法的創新難度加大，而做出重要科學發現的幾率卻不如以前。當然，這僅僅是從學科發展共性的角度來論述。從科學發展的角度來講則很不同，關鍵科學問題的解決正是量變到質變的轉折點，例如，磁場重聯的解決不僅有助于理解整個太陽系乃至宇宙中磁化等離子體中的能量轉化方式，還可能幫助緩解未來能源危機。持續增加對傳統研究的投入始終是主流之策。

研究人員認為，當前一些重要的空間物理學前沿問題必須通過突破學科壁壘來取得進展。傳統的空間物理研究著眼于空間環境中所發生的過程，但一些重要過程的驅動因素或控制因素來自于空間環境之外。例如，空間環境參數長期變化問題。眾所周知，地磁場與太陽風相互作用形成磁層，同時地磁場也是控制磁層和電離層等離子體運動的基本物理場之一?，F代地磁觀測顯示，自 1840 年以來地磁場偶極矩持續衰減了約 10%[4]; 對電離層近百年的觀測數據分析發現，偶極矩的衰減引起了電離層的變化[5].而古地磁學研究進一步表明，地磁發電機至少已存在了 42 億年[6],在此期間偶極矩存在各種時間尺度和各種幅度的漲落[7].尤為引人注目的是，地磁極性倒轉期間，偶極矩強度可下降 1 個量級或更甚，且平均持續時間近萬年。這種地磁場變化會對空間環境造成怎樣的變化？ 空間環境的變化是否又影響了地球的演化？ 對于這些重大問題，依賴于觀測數據的傳統空間物理研究方法不再適用，因為空間環境的主要參數，如磁層的尺度、電離層 F2 層峰高等不會在巖石、樹輪等常見介質中記錄下來，且目前也未發現其他任何可以記錄下這些信息的介質。這些屬于空間物理學的問題實際上挑戰了空間物理學自身，惟有打破學科壁壘，借助與其他學科的交叉研究才有可能找到答案。

空間物理學現階段的難題給學科本身的發展形成挑戰，同時也帶來機遇?，F代科學史反復證明，一個學科的日趨成熟能夠對鄰近學科產生促進作用，而被促進的學科亦可加速該學科的發展，學科間交叉融合，互相促進，形成了現代科學的發展脈絡。如今學科分支繁雜程度達到歷史頂峰，任何一個領域的研究者都必須通過自身的徹底專業化才能開展有效研究。因此，學科交叉和研究者跨領域合作，是科學發展的內在需求，也必然是未來的主要趨勢?？臻g環境是地球多圈層系統的最外層，又是日地關系鏈的中間環節，其在地球科學中的重要性不言而喻?？臻g物理學的日漸成熟為理解地球系統的運行和演化規律提供了必要條件，其與地球科學其他分支學科的交叉融合也必然會推動自身和整個地球科學的發展。

2 “行星地球”視角下的空間物理學

“行星地球”視角在本質上是地球系統科學的思路，即將地球視為一個多圈層耦合的復雜系統，各圈層通過物理、化學和動力學過程實現物質和能量的交換、轉化和循環，并作為一個整體系統，與外界保持物質和能量的交換和轉化。這一看似自然的觀點并非研究者頭腦里固有，而是經過了長期的發展形成，且當前并沒有得到研究者的普遍重視。正如早期地質學家出于研究方便考慮，傾向于在距離居住地較近的區域采樣，早期空間物理學家也傾向于在工作地附近建立觀測臺站，研究當地的空間環境特征。這種選址方式顯然在經費支持、能源供給、設備維護等方面具有優勢，為長期持續觀測創造了便利條件。由于 1600 年 Gilbert 就在《De Magnete》一書中指出地磁場是一個全球性現象，組織全球臺站聯測成為一些研究者的選擇。例如，1882-1883 年和1932-1933 年2 次國際極地年，1957-1958 年國際地球物理年，都產生了豐碩成果。全球協作催生和強化了將地球空間作為一個整體來研究的觀點。時至今日，研究者已普遍接受，空間物理中的許多現象，比如中低緯電離層等離子體分布特征和南大西洋異常區的內磁層結構，由于受到局地地磁場強度、傾角和偏角的控制，確實具有十分明顯的地域特性。但是，長期的知識積累也讓研究者認識到，整個空間環境是一個全球尺度的結構，其中等離子體的分布狀態和運動規律也主要受地磁場全球位形的影響?！叭蚧币暯窃缫殉蔀榭臻g物理研究的一個基本出發點。簡言之，對地球的認識和研究是一個從“局部到整體”的過程。

人們對行星的研究則是從“整體到局部”.當1609 年伽利略把 10 倍放大能力的望遠鏡對準天空時，行星才從一個亮點變成有表面細節的天體。20世紀下半葉，人造飛船對行星空間的實地探測和遙感探測使得行星空間環境最先被詳細了解。截至目前，人造飛行器僅在月球、火星、金星、土衛六和彗星67P / C-G 5 個地外天體上進行過表面實地勘測，而地質學常用的人工采樣只在月球上實現過。由于觀測能力的限制，對行星的研究不得不從一開始就試圖從整體上理解，特別是其與地球的異同之處。隨著系外行星不斷被發現，天文學研究者已經習慣于將系外行星與太陽系行星做對比，尤其是與地球對比來評估系外行星的宜居性。

“行星地球”視角是將地球內部和空間的各個圈層都視為一個耦合的整體系統。事實上，空間環境中的多圈層耦合思想在最近 20~30 年已深入人心。電離層-中高層大氣耦合、磁層-電離層耦合、太陽風-磁層-電離層耦合等名詞不僅成為許多學術論文的關鍵詞，也經常被用來命名論文專輯、學術會議、會議專輯、學術團體、探測項目、研究計劃等。但是，磁層、電離層、中高層大氣等諸多圈層的耦合發生在同一個背景物理場中，即地磁場。地磁場起源于液態地球外核中的地磁發電機過程，而發電機過程又受到其外側的地幔和其內側的內核狀態的影響。換言之，地球的內部過程決定了地磁場的狀態。地磁場不僅定義了地球空間環境的時空范圍，調控絕大部分空間等離子體運動過程，決定太陽風能量輸入效率以及磁層內能量的存儲和釋放，并且其本身也能通過磁場重聯的方式實現磁能向粒子動能和熱能的轉化。在空間物理學發展歷史中，研究者關注的物理過程的時間尺度通常較短，如磁重聯過程的時間尺度為秒，亞暴過程的為小時，磁暴過程的為天，涉及到太陽活動水平的為年。在這種時間尺度下，地磁場被默認為是穩定的背景場，地磁發電機過程的變化確實可不予考慮。但在面對前述的空間環境參數長期變化問題時，即在百年或更長的時間尺度上，發電機過程必須被考慮進來。于是，地球內部和外部空間環境應當被視為一個耦合的整體系統，內部的發電機和太陽是決定空間過程的最主要的 2個因素。從空間環境中的多圈層耦合到整個地球系統的多圈層耦合，是地球科學發展的內在要求。

實際上，包含空間環境在內的地球多圈層耦合的思想已有比較長的歷史。早在 1963 年，加拿大地球物理學家 Uffen[8]發表了一篇題為《Influence ofthe Earth's core on the origin and evolution of life》的論文，指出地核發電機會通過空間物理過程對生命的起源與演化造成影響。他從 1959 年地球輻射帶的發現得到啟發，提出了大膽的猜想： 在地磁倒轉時期，地球磁場減弱為零并持續幾千年，于是被捕獲在輻射帶中的高能粒子被“傾倒”于地面，造成生物滅絕。文中他又進一步引申推測道： 在地核形成之前，地磁場不可能存在，太陽高能粒子對地面的轟擊將第 1 期 魏 勇等： 比較行星空間物理17阻止生命形成。這一猜想引發了持續十多年的研究熱潮，但隨著小行星撞擊說的提出而式微[9].同時期空間物理學處于探索發現期，研究者們大多被空間中各區域的新穎的觀測數據所吸引，雖然也有少量探索性工作發表[9],但多圈層耦合的思想并未被廣泛重視。當然，這并非是一件令人遺憾的事情，因為當時空間物理學需要解決的主要問題是探明空間各區域的磁場和等離子體狀態以及建立基本理論體系，而非我們現在所遇到的空間環境參數長期變化等問題，且古地磁學等其他相關學科也遠未成熟，尚不具備開展大規模交叉研究的必要條件。當前“行星地球”視角之所以顯得重要和必要，也正是空間物理學現階段特征和所面臨的重大問題所決定的。