空間物理與空間環境

太陽與空間物理學領域2013-2022十年規劃

時間:2017-03-02  來源: 文本大小:【 |  | 】  【打印

 

 

摘要

美國國家科學院于2011年成立了一個調查委員會負責制定太陽和空間物理研究的綜合戰略,這更新和擴展了首個太陽和空間物理十年規劃2003年)。最新的十年規劃研究實施了2008年美國國會對NASA下達的關于太陽和空間物理學領域的指導建議。新的調查廣泛地探討了該學科的發展狀況,確定了該領域最重要的開放科學問題,并提出了用于解決這些科學問題的研究或測量方法,以便在2013-2022年期間推進其發展進程。在這個領域的研究問題包括:

? 太陽及其日球層的動力學行為;

? 地球和其它太陽系主體的空間環境性質;

? 太陽系等離子體與星際介質之間的多尺度相互作用;

? 整個太陽系的能量傳輸及其對地球和其它太陽系主體的影響。

我們使用觀測、理論、實驗室研究和數值模型對太陽和空間等離子體過程進行研究,這為理解這種互連系統提供了良好前景,為民用和軍用太空系統的操作提供了預測支持。我們在這里描述了2013-2022年十年規劃中提出的建議和戰略計劃。

 

 

引言

美國的天體物理學界在美國國家科學院的支持下擬定“十年規劃”要追溯到20世紀60年代(參見國家科學院2015年)。近年來,不僅天體物理學,行星科學、地球科學和空間物理學的每個學科領域都進行了類似的評估,以了解每個領域的研究進展以及為取得重大進展而應該開展的計劃和項目。美國國家航空航天局(NASA)每10年進行一次這種研究,其具體要求被寫入2008年美國國會頒布的法案中。然而,上述每一個科學學科都傾向于擴大對各領域的考察,包括其它這樣的聯邦機構,如國家科學基金會(National Science FoundationNSF)、國家海洋和大氣管理局National Oceanic and Atmospheric AdministrationNOAA)、能源部(Department of EnergyDOE)和國防部(Department of DefenseDoD),這些機構認為該十年規劃無論從哪種層面來看都是必要的。十年規劃在美國國家研究委員會的領導下進行,而美國國家研究委員會是美國國家科學、工程和醫學院(National Academies of Sciences, Engineering, and MedicineNASEM)的執行部門。

太陽和空間物理學界在2001–2002年期間進行了第一個十年規劃,該報告于2003年出版。第二次,即最近的太陽和空間物理十年規劃是在2010年由NASEM啟動,經過18個月的密集調研(國家研究委員會,2013年)才得以出版。本文介紹了十年規劃過程的一些突出特點,并闡述了其努力的目標;簡要介紹了前十年的研究進展特別關注等離子體物理問題,然后描述了對2013-2022年調查的建議。本文最后給出了一個進展評估和十年目標的實施前景。

 

十年規劃過程

美國總統執行辦公室的科學和技術政策辦公室(Office of Science and Technology PolicyOSTP)長期以來一直贊同開展國家空間計劃的十年規劃。有人認為 十年規劃提供了一個專業人士在科學突破問題上達成共識的文件,以促進先進的研究和保持學科競爭力。人們普遍認識到,這些調查為優先發展項目的確定,也為各聯邦機構(管理和預算辦公室(Office of Management and BudgetOMB)和美國國會)制定科學目標,提供了重要的信息來源。

在制定調查方法時,OSTP建議在確定要解決的關鍵科學問題的框架下來進行討論。顯然,OSTP建議每次調查的重點應放在做什么,而不是在所要建造的航天器或地面設施上;調查要針對能對既定科學領域產生影響的基本問題提供廣泛且深入的論證。OSTP還敦促十年規劃能在跨學科研究和相關調查領域提出建議。

正如太陽和空間物理學(solar and space physicsSSP)團隊在2013-2022年十年規劃中所指出的,調查的目標是了解科學概況,并評估當前該領域的發展狀況,關鍵目標是要找出最具有挑戰性的科學問題;調查的核心是確定出在十年內具有最高優先級的研究目標,這不僅是為NASA,而且也是為NSFNOAA、美國空軍和其它可能的贊助機構提供參考。

2013-2022年十年規劃進程開始于2010年秋季,NASA正式要求NASEM開展這項研究,通過協商完成了任務說明和章程工作。科學家們確定出,研究應在國家范圍內(在某些方面是國際范圍)展開,并應考慮NASANSFNOAADoD在太陽和空間物理學方面的投資。該規劃任命了研究主席(D N Baker,美國科羅拉多州)、副主席(T Zurbuchen,美國密歇根州)。此后,該規劃又任命了16名指導委員會成員,代表著太陽、行星際、磁層、電離層和大氣科學的所有領域。在指導委員會下設置了三個學科小組,包括(1)太陽和日球物理學,(2)太陽風-磁層相互作用,和(3)大氣-電離層-磁層相互作用。為滿足研究中對交叉能力的需求設置了5個通用工作組,包括(1)理論、建模和數據開發,(2)新型軌道和亞軌道觀測平臺,(3)創新的先進技術和數據系統,(4)如何開展工作的問題研究,(5)教育和勞動力發展主題。

在指導委員會的領導下,工作組在18個月內收到并評估了約300份白皮書。這些白皮書代表了新的想法和任務概念,涵蓋了從小型研究工作到主要的航天器星座計劃。為此,美國各地舉行了數十個會議和研討會(有時還舉行了在美國國外的會議)。針對價值超出幾億美元的任務中的好想法,工作組對其進行進行了成本和技術評估(cost and technical evaluationCATE)。20128月,NASEM推出了2013-2022年的十年規劃(見圖1)。在短短幾個星期的時間內,它就被送到OMBOSTPNASANSFNOAADOD和國會工作人員。

 

關于太陽地球連接的最新進展

2003年的十年規劃(國家研究委員會,2003年)出版以來,人們在理解日地系統方面取得了巨大進展。大部分的進展是通過成功發射NASA航天器任務取得的。例如, NASA LWSLiving With a StarLWS)飛行計劃通過在20102月發射太陽動力觀測臺(Solar Dynamics ObservatorySDO)啟動,已經返回了關于太陽日冕和太陽內部性質的寶貴觀察結果。SDO成功發射之后,緊隨其后的是由NASA小型探索者(SMEX)計劃支持的界面域成像光譜儀(Interface Region Imaging SpectrographIRIS)任務,該任務于20136月實施。如圖2所示,IRIS被放置在低地球軌道中,提供位于太陽光球和太陽日冕之間過渡區域中的等離子體的新數據。

對太陽上的等離子體進行地面觀測的未來很明朗。一個位于夏威夷毛伊島上的哈雷阿卡拉火山頂部的新望遠鏡DKISTDaniel K Inouye Solar TelescopeDKIST)正在建設中(見圖3)。這種4米級的離軸望遠鏡將提供具有精細空間分辨率的太陽表面特征,并且將強有力地補充由NASA航天器所進行的太陽天基觀測。國家太陽觀測臺(NSO)為NSF運行DKIST,預期能提供具有30km的空間分辨率的太陽表面特征。

 

1. 2013-2022年十年規劃的封面。插圖,從頂部:太陽動力觀測臺,太陽全盤多波長遠紫外成像(NASA/ GSFC / AIA);對日冕質量噴射和地球磁層的描繪(Steele Hill / NASA; 在雷索盧特灣的高級模塊化不相干散射雷達(Craig HeinselmanEISCAT);哈勃太空望遠鏡觀察到的土星南極區域及其極光的紫外圖像(NASA / ESA /波士頓大學/ STScI);日球層區域的描述(NASA);獵戶座LL星周圍的震蕩(NASA/ESA/STScI / AURA)。背景圖像:在國際空間站對美國中西部和北歐極光的俯視圖(NASA

長期進行太陽原位觀測的平臺之一是NASASolar Probe PlusSPP)任務,準備在20187月發射。SPP的儀器如圖4所示,圖中,SPP將在距離太陽表面(光球)600萬公里的區域內進行飛行,并將在其幾年的壽命內多次通過太陽日冕。通過對局部等離子體、磁場和等離子體波的測量,SPP應該對太陽風是如何加速的以及高能粒子在百萬開爾文溫度的太陽大氣中是如何產生的等問題提供有價值的參考資料。SPP是首次飛行到太陽等離子體并且從亞音速加速到高超音速區域的任務。

對太陽-地球系統中的地球末端的研究在過去十年取得巨大進展。圖5提供了地球空間環境的原理示意圖。如圖所示,通過地球強偶極磁場的超音速超阿爾芬太陽風流,導致了等離子體的物理相互作用。快速太陽風流動意味著弓激波在地球障礙物的前面形成。沖擊和減速的太陽風與其嵌入的行星際磁場(interplanetary magnetic fieldIMF)可以通過光面重聯與地磁場進行相互作用。IMF和地磁場的這種互連可以導致強發電機行為,并且可以將大量的能量傳遞到地球周圍的磁層腔中。該能量可以暫時存儲在磁層的細長磁尾中,然后通過被稱為磁層“亞暴”釋放過程中的磁重聯而突然釋放。這種亞暴可在高度耦合的磁層內部和電離層中傳輸并激發大量的等離子體粒子。磁層的最內部包括了范艾倫輻射帶,陷入范艾倫區的電子和質子可以達到相對論和極端相對論的能量。

 

2. NASA的界面域成像光譜儀(interface region imaging spectrographIRIS)小型探測器任務的概念圖,于2013627日發射到太空

 

3. 建于夏威夷哈雷阿卡拉火山頂部的國家太陽觀測臺(National Solar ObservatoryNSODaniel K Inouye太陽望遠鏡(DKIST)的概念圖

 

盡管范艾倫帶的發現是空間時代的首個主要科學成就(Van Allen等人,1958年),但仍然存在關于范艾倫輻射帶的顆粒如何加速、運輸和損失的許多奧秘。因此,20128月,NASA將雙航天器輻射帶風暴探測器(radiation belt storm probeRBSP)任務發射到橢圓地球軌道。 201211月,NASARBSP任務重新命名為范艾倫探測器任務。在成功發射RBSP航天器之后的幾天,科學家們發現,在某些情況下,真的存在有三個范艾倫輻射區,而不是Van Allen和同事最初報告的兩個范艾倫輻射區(見圖6)。

極其敏感和能力很強的RBSP(范艾倫探頭)儀器的探測結果表明,在強作用力條件下,地球磁層中的相對論電子可以在非常短(數分鐘到數小時)的時間尺度上進行加速。但也有跡象顯示這些兆電子伏特(MeV)電子可以瞬間從磁層中消失。在RBSP之前,研究人員還不知道粒子在輻射帶中是如何有效地加速和損失能量的。

6中所顯示的數據來自范艾倫探測器航天器上的REPT儀器。正如所繪制的數據所示,在主要加速度事件中所產生的電子可以從較大的徑向距離(‘L *’值)向擴散,但是它們似乎不會比r = 2.8RE(地球半徑)更接近地球。這個特征表明,地球磁層存在一不可滲透的障礙,阻斷兆電子伏特電子向內傳輸。因此,雖然電子可以有效地加速到巨大的能量,并可以在r ~ 6REr~3RE的地心距離的徑向范圍內自由運輸,電子仍會遇到一個幾乎不變的障礙,使他們的行經路徑無法到達r~2.8RE以內。

 

4. 太陽探測器的關鍵要素加上目前正在開發的將于20187月發射的NASA任務。該任務將飛往距離太陽表面600萬公里以內的地方

 

5. 驅動磁層關鍵過程的原理示意圖。我們為了充分理解復雜、耦合和動態的磁層,要結合成像和原位測量手段了解磁層中的全局和中尺度結構是如何響應太陽風力的變化,以及磁層、磁層內外邊界處的等離子體和過程相互作用

極端相對論電子傳輸的極其尖銳的邊界最近已經被仔細研究。新研究結果表明,相對論電子的向內傳輸相當于由強大的海軍信號傳送器(用于海底通信)所產生的人造極低頻(very low frequencyVLF)無線電波的向外傳輸。圖7證明了VLF氣泡的向外范圍相當于向內不可穿透的障礙物的范圍。

也許在天體物理系統中運行的最普遍和基本的等離子體物理過程是磁重聯(BurchDrake2009年)。如上面的圖5所示,重聯的機制是磁化等離子體自身重新配置,并且是將存儲的磁能轉換成加熱等離子體的主要機制。最終,重聯與諸如太陽耀斑和太陽日冕質量噴射以及地球磁層中強大的極光顯示的現象相關。

 

6. 范艾倫探測器裝載的相對論電子質子望遠鏡(relativistic electron–proton telescopeREPT)儀器所記錄的10個月期間內的電子通量圖,顯示了在顯著突發的時間尺度上所發生的多個MeV高能電子的增加和損失。該圖展示了來自范艾倫帶橫截面的顆粒數據(左圖)。電子通量以粒子/平方厘米/秒為測量單位。范艾倫探測數據顯示,范艾倫區域通常由三個獨立的帶組成,而不是文獻中最初所描述的兩個帶

 

7. 極端相對論電子向內傳輸的不能穿透的障礙示意圖,以及這種障礙與由強大的地基信號傳送器產生的人造極低頻(VLF)波之間的關系

 

理解重聯是如何在無碰撞等離子體中工作是太陽物理學和磁層研究中長期存在的問題之一。圖8a)中的示意圖給出磁場線(如黑色箭頭的虛線所示)是如何被破壞的,然后又是如何在非常有限的空間中重聯起來。由于磁場線類似于彈弓形狀,等離子體可在這種重聯位置(參見圖5)加速到其大部分為局部阿爾芬速度的狀態。該噴射動作可以在如圖8a)中的淺藍色框所示的相當寬的區域中發生。這被稱離子擴散域,并且是等離子體離子退磁的地方,也是它們有序的回旋運動斷開的地方。然而,近年來研究表明,磁通管的實際斷裂肯定涉及到對電子陀螺儀的影響(由圖8a)中粉紅色框所示)。這是所謂的電子擴散域,該塊區域在典型磁層等離子體中只有幾十公里大小。如圖8a)所示,為了探測在電子陀螺儀處的重聯,一個航天器群必須離開有序和規定的編隊飛行幾十公里。

20153月,NASA向地球軌道發射了磁層多尺度研究(Magnetospheric MultiscaleMMS)任務。這個航天器任務由四顆相同的衛星組成,具有一套完整的粒子實驗、波實驗和場實驗設備。如圖8b)的概念圖所示,四個衛星可以在四個面排布進行編隊飛行,以便包圍實際的重聯“中線”,并可在所需的電子尺度(空間和時間上)精確地檢測磁重聯。來自MMS的數據能夠提供對磁重聯現象的深入了解,并且對這種關鍵的等離子體過程進行了新的闡述。美國航天局所發射的MMS2003十年規劃(國家研究委員會,2003年)的最高優先級事項。

 

8. a)磁重聯場、流動和擴散區域的示意圖。四航天器磁層多尺度(magnetospheric multiscaleMMS)任務旨在解決關于磁重聯的物理學基本問題。在磁頂層和磁尾層電流層中傳輸的MMS航天器的名義結構是按照關鍵部件的物理尺度標定給出的。(b)在地球磁層的磁重聯區附近編隊飛行的MMS航天器的概念圖

 

為了完成對空間物理研究最新進展的總結,有必要指出,太陽-地球系統最少研究的部分之一就是距離我們頭頂僅幾百公里的電離層。這里是關鍵區域,在這里地球的中性大氣消失,地球的磁層區域起主要作用。最近的研究表明,電離層以上受到的太陽影響和電離層以下受到的地面天氣的影響都會對電離層產生巨大影響。

9中的原理示意圖表示了研究太陽影響和氣象驅動電離層系統的可能性。這項研究的目的是測量跨越電離層域的組成、溫度和風。這將使我們更深入地了解等離子體上升流、平流和熱膨脹在確定電離層的緯度和時間演化中的相對作用。一個被稱為ICON(電離層連接探測器)的NASA小型探測器(small explorerSMEX)目前正在開發中,將于2017年發射升空。該計劃應采取一些關鍵的措施對電離層空間和時間上的受到的影響進行評估(如圖9所示)。

另一個發展中的NASA任務被稱為全尺度觀察邊緣和圓盤(global-scale observations of the limb and diskGOLD),它將提供一種在地球同步軌道通信衛星上飛行的地球觀測儀器。GOLD的實施方法如圖10所示,圖中央表示在GOLD核心部位的關鍵紫外光譜儀儀器。這將安裝在操作通信平臺上并提供連續的地球觀察。GEO航天器在圖10的左上方給出。如圖的下部所示,GOLD測量將提供前所未有的地球的熱層特質圖像。圖中的五個圓盤顯示了地磁暴期間在160km高度附近的熱層溫度演變的模擬圖像,五幅圖表示在風暴發生期間每隔1小時的可能加熱模式。GOLDICON一樣,將于2017年發射升空,并將徹底改變迄今為止我們對地球“未知層”已有理解。

十年規劃:對未來的建議

基于對過去十年太陽和空間物理學界許多成就的認識,十年規劃指導委員會鼓勵對2013-2022十年期的關鍵后續步驟進行廣泛評估。結合學界意見(如前所述)和對許多正在進行中的空間計劃的認識,委員會制定了一個計劃來優化對未來十年科學投資的回報。根據OMB和國會的指導,制定一個方案計劃以滿足十年內相對平穩的預算概況是應采取的正確戰略。

 

9. 低空大氣過程對空間條件影響的示意圖,描繪了能量和動量是如何通過大氣波和潮汐間相互影響及與太陽和磁層驅動力競爭,進入該區域的。通過在低地球軌道使用高傾角天基平臺來實現波輸入的空間和時間分辨

 

十年計劃(國家研究委員會,2013年)的零階建議是完成正在進行的計劃。正如本文最后一節所指出的,2003-2012年期間,許多令人興奮的項目、方案和NASA飛行任務都取得了一定成果。許多其它方案和飛行任務也已經開始,并且即將到達關鍵科學階段。這樣的例子,如上所述,是范艾倫探測器和美國宇航局的MMS任務。2013-2022年十年規劃將大力支持這些進行中的計劃。

十年計劃是在聯邦預算壓力非常大的時候發布的。因此,指導委員會認為,倡導小預算項目可能是該十年中最初幾年里能采取的最明智做法。因此,十年計劃中處于最高優先級的是一個被稱為DRIVE的計劃。如圖11所示,DRIVE代表多元化、實現、集成、冒險和教育。整個創新計劃的每個要素對NASANSF和其它聯邦機構都有特定的意義。DRIVE的一個關鍵特征是,它將大量新資源直接投入研究團體,并給予每個聯邦機構適當的新資金支持。

DRIVE多元化元素旨在激勵更多地利用微型和納米衛星進行太陽和空間物理學科的研究。考慮到NSFNASADOD發射的立方體衛星任務的數量和多樣性正在以驚人的速度增加,說明DRIVE“多元化元素已經取得了巨大的成功。

DRIVE的“實現”元素要求充分開發和利用已有的空間和地面系統,并且,它主張注入足夠的資金,以更好地利用這些已經部署的系統執行數據分析。DRIVE的這個“實現”元素似乎已被NASANSF欣然接受,因此用于操作和分析的更多資源正被添加到現有預算中。

DRIVE的“集成”元素要求加強與太陽和空間物理密切相關的“姐妹”學科之間的聯系。例如,鼓勵SSP與天體物理學家之間更積極的合作,以及利用行星研究和地球科學之間協同作用。這也可擴展到空間物理學和實驗室等離子體研究之間的協作之中。這種集成概念似乎在機構領導者之間產生了強烈的共鳴。

DRIVE計劃的“風險”元素意味著對新儀器設計和空間系統技術進行更大的投資。它還意味著由NASANSFDOENOAA和其它機構聯合資助的科學中心的發展。在這些機構2014財年(fiscal yearFY)和2015財年的預算中,我們已經看到了對該DRIVE元素進行支持的證據。

為了完成DRIVE教育味著專注于培訓、賦權和激勵下一代空間研究人員。太陽及其與地球的相互作用的研究一直極大地激勵了年輕學生。繼續甚至加倍投入支持來教育下一代科學家和工程師仍然至關重要。

DRIVE計劃的初衷是為NASANSF提供建議,但對其他機構也有廣泛的指導作用。在NASA空間物理學界,人們認為基本等離子體物理學、實驗室等離子體實驗和各種數值模擬對空間探索計劃從根本上都很重要。例如,在2015年美國能源部主持下舉辦的等離子體科學前沿討會就很好地說明了這種親密關系。這些研討會審查的主題包括激波中的粒子加速,塵埃等離子體中的波-粒子相互作用,磁重聯驅動的粒子加速度,實驗室和空間系統中的阿爾芬波加熱,以及其它前沿問題。對這些主題的關注,清楚地表明等離子體物理學—無論是在實驗室、近地空間,還是在遙遠的天體物理系統—從根本上都很重要。

如上所述,幾乎所有美國政府的相關機構似乎都以某種方式接受了DRIVE概念。人們希望看到實施這一最優先事項的更多新資源。調查(國家研究委員會,2013年)的第二個優先事項是重振美國航天局的探索者計劃。如圖12所示,探索者計劃是美國空間計劃中最獨特的一個部分,例如探索者I是第一個發現范艾倫輻射帶的美國衛星。從1990年左右開始,探索者計劃在SSP和天體物理學方面已經進行了大約20次的探索任務。十年規劃報告敦促相關機構向探索者計劃恢復大約7 000萬美元/年的經費支持,以便將SMEX和“MIDEX”任務的發射頻率增加到每年或每一年半一次。推進小型太空任務的發展將是NASA(國家研究委員會,2013年)目前最好的選擇。

 

10. 顯示了將于2017年在地球同步軌道通信衛星上飛行的邊緣和圓盤(GOLD)任務的全球范圍觀測示意圖。主機航天器在左上角示出,GOLD儀器在中間,下部顯示了GOLD將觀測到的地磁暴主要階段中熱層演化的預期(建模)圖像

 

過去的十年規劃的傳統關注點是NASA的大型(旗艦)任務。2013-2022年的十年規劃使得DRIVE和加強探索者計劃比新的太陽地球探測或新星球探測任務具有更高的優先級。然而,十年計劃也非常重視獲得新的行星際、磁層、電離層信息和正起步的太陽探測任務。特別地,人們強烈地認識到一個暫時被稱為星際測繪和加速度探頭interstellar mapping and acceleration probeIMAP)的任務應該是NASA最高優先的新的0.5B等級任務。如圖13所示,我們在科學史上處于一個獨特的時代,此時,航海家號航天器正在原位探測終止激波、日球頂層,以及距離我們最近的星際介質。IMAP航天器概念是使用遙感技術在近地空間飛行器上觀察日球層的外部,而航海家號航天器在距離太陽幾百個天文單位(astronomical unitsAU)的空間并行和直接測量(國家研究委員會,2013年)。

除了IMAP,十年規劃建議使用新的航天器對或航天器星座探索從地球大氣層到磁層(MEDICI)或從磁層到低層大氣層(DYNAMIC)間的耦合。這些任務(參見圖14)都可實現原位測量等離子體,同時還可進行遙感觀測,以便獲得全球系統視圖。

 

11.初期成本低、規模小的DRIVE計劃具有多樣化的科學能力,將對當前和未來的空間科學研究投資產生重要影響。DRIVE的五個組成部分如下:

? 利用微型衛星和中尺度地基條件的多樣化觀測平臺。

? 通過對運營和數據分析進行資金支持,實現科學潛力。

? 整合觀測平臺,加強機構學科之間的聯系。

? 尋求科學中心、儀器和技術方面的突破性進展。

? 教育、賦權和激勵下一代的空間研究人員。

這是國家研究委員會2013-2022年十年規劃的最高優先級推薦項目。

12. NASA1990年以來實施的探索任務

 

十年規劃的一個關鍵認識是太陽和空間物理學是如何在我們的技術社會的日常生活中發揮作用的。因此,空間天氣的主題滲透了整個調查計劃(國家研究委員會,2013年)。十年規劃強烈敦促NASA(通過LWS)和NOAA,特別是在新的十年里,在可操作的空間氣象觀測系統以及改進的建模和預測技術方面投入更多的資源(國家研究委員會,2013年)。Schrijver等人(2015年)在由空間研究委員會(空間研究委員會)贊助的一項研究中介紹了滿足空間天氣需求的路線圖。

13. 表示太陽系和其附近的星系鄰域。橫坐標為從<1 AU1百萬AU的對數標度。 太陽及其行星被日球層和日球頂層構成的大氣泡與星際等離子體隔離。這個氣泡外很大程度上是未知的星際空間。

 

14.  MEDICI通過提供環流(橙色)、等離子體(綠色)、極光、電離層-熱層動力學、通量、多點原位測量結果的高分辨3D圖像來描繪磁層-電離層系統的復雜、耦合和互連的多尺度行為

 

總結和結論

2013-2022年十年規劃達成的共識是太陽和空間物理學有一個光明的未來,巨大的機會存在于太陽、空間等離子體、天體物理學和許多其它領域的突破性研究中。學界準備探索太陽-地球(更廣泛地說是太陽-行星)系統,涵蓋從太陽內部到最外層的日球層的區域。過去十年表明,空間物理學(NASA也叫 太陽物理學)從業者是很好的學界資源管理者。無論是通過主要的空間飛行任務、小型探空火箭、立方衛星,還是通過創新的建模方法,太陽和空間物理研究在最近十年里取得了顯著的進展,而且預算資金相對適中。我們有充分的理由相信,NASANSFNOAADOEDoD和其它聯邦機構將會支付類似的或更大資金投入到從現在延伸到21世紀20年代初的十年(國家研究委員會,2013年)。

 

15. 2013年至2024年按年和類別劃分的太陽物理學預算和計劃。黑色實線指定為2012財年預算,并作為美國航天局的2013年和2022年的資金預算規劃的基準。黑線虛線是將預算向前推算到2024年。美國航空航天局從2017年的預算線的斜率實際代表一個不景氣的實際年預算,因為出現了2%的通貨膨脹。紅色虛線被指定為啟用預算,該預算可以保持過去幾十年的預算平衡和發展節奏。可以看出,紅線和黑線在2016年相互追逐,說明基本項目內容都受到了預算的約束,然后,2012財年的預算曲線開始與啟用預算出現偏離,啟用預算以高于通貨膨脹率1.5%的比率延伸至2024

 

如前所述,從美國整體來看,空間物理學真的涉及到最后一段所列出的所有聯邦機構。事實上,當人們考慮關于空間研究和空間天氣的全部觀測結果和模型時,許多其它機構也是最終成功的關鍵,這包括美國地質調查局(U.S. Geological SurveyUSGS)、聯邦應急管理署(Federal Emergency Management AdministrationFEMA)、聯邦航空局(Federal Aviation AdministrationFAA)、國土安全部(Department of Homeland SecurityDHS)和其它一些對空間和近地環境有深入持續關注的組織,這也是我們現代技術社會的一部分(見國家研究委員會,2008年)。

從本文來看,一個主要問題是在接下來的十年及以后如何有效地經營基礎等離子體科學研究。SSP十年計劃是負擔得起的,已經由NASA的預算圖表例證,如圖15所示。該圖的橫軸顯示美國財政年度,所示的時間跨度為2013財年至2024年。圖中縱軸表示年度預算支出(以百萬美元每實際年計)。然后,該圖通過不同顏色的形狀顯示十年計劃為NASA太陽物理學計劃中的每個關鍵領域建議的支出。如圖所示,NASA所提出的所有事幾乎都符合美國政府所發布的2012財年預算計劃預測,十年規劃也正在制定中。略微強勁的支出計劃(標記為“啟用預算”)用紅色虛線顯示,十年計劃中提出的一切都可以在~2025年前實現。

NASANSF和其它航天機構所進行的研究與等離子體物理學的廣闊主題有著密切的關系。這包括等離子體加熱機制、粒子加速度、損失過程、波粒相互作用和許多其它有意思的話題,這些話題可以在空間領域以非常有效的方式進行研究。如上所述,在過去十多年來,通過利用美國航天局贊助的太空任務,我們在許多主題上取得了很大進展。此外,未來十年和更長時間也看起來非常有前途,因為范艾倫探測器、磁層多尺度、太陽探測器+和其它NASA任務能完成他們的全部成果。

然而,重要的是要注意,研究領域的進展絕非全部來自大型航天飛行任務。大部分NASANSFNOAADOE和其它計劃的成功來自基本的理論和建模研究。這一事實在2013-2022年十年規劃中得到了明確驗證。調查的一個基本組成部分是建議空間等離子體物理學應結合實驗室等離子體研究和天體物理學研究。實驗室環境和遙遠天體物理系統中的等離子體理論和建模的發展對空間等離子體物理學的發展至關重要。

在國家科學院報告的簡要總結中,不可能傳達所有的事情,比如說近年來空間物理學進展的廣度和深度,以及未來計劃的潛力。總之,實驗室和空間科學研究人員之間的持續密切合作具有著巨大的潛力,可以提高我們的基本認識,并對空間天氣學科發展產生實質改善,使人類社會受益。

 

參考文獻:

Daniel N Baker, Plasma physics and the 2013-2022 decadal survey in solar and space physics,  Plasma Phys. Control. Fusion 58 104003 (2016).

劉艷 俞文凱 編譯 張偉 校對

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