行星際空間探測

太陽系內的廣闊行星際空間﹐到處充滿著物質﹑輻射和力場。它們具有極為複雜的時空分布特性。在行星周圍空間﹐由於行星及其大氣和磁場的影響﹐物質﹑輻射和力場的分布特性與遠離行星的空間頗不相同。行星際空間的特點是存在者低密度的電漿﹐充滿著所有波長的天體電磁輻射和不同能量的粒子輻射﹐並滲透著行星際磁場。行星際空間探測的任務是弄清整個太陽系內電漿﹑電磁輻射﹑分布﹑變化以及同行星的相互作用。行星際空間探測也是研究太陽系起源和演化的手段。

基本介紹

• 中文名：行星際空間探測
• 概述：太陽系內的廣闊行星際空
• 簡介：多年以來，人類隔著大
• 方法：直到二十世紀五十年代後

探測方法

多年以來，人類隔著大氣遠距離觀測行星，不能對行星進行深入研究。行星和行星際探測器為行星研究打開了新的局面。行星探測從20世紀50年代末就開始，80年代後期90年代初各國又陸續發射了各種行星探測器。按照歷史發展﹐行星際空間探測方法大致可分為三類﹕

間接觀測

直到二十世紀五十年代後期直到二十世紀五十年代後期﹐間接觀測仍是人類研究行星際空間的一種重要手段。例如﹐根據彗星尾跡方向﹑黃道光偏振﹑地磁活動﹑宇宙線調製的觀測﹐推斷太陽風的存在﹐確定太陽風速度﹑成分以及同地磁活動的關係﹔根據流星穿入地球大氣時產生的發光現象和電離效應﹐確定質量大於10克的流星粒子的空間密度﹔根據黃道光和F日冕的研究﹐得出質量更小的行星際塵埃粒子的特性和密度。現在﹐這些間接觀測方法大部分已被直接觀測所代替。﹐間接觀測仍是人類研究行星際空間的一種重要手段。例如﹐根據彗星尾跡方向﹑黃道光偏振﹑地磁活動﹑宇宙線調製的觀測﹐推斷太陽風的存在﹐確定太陽風速度﹑成分以及同地磁活動的關係﹔根據流星穿入地球大氣時產生的發光現象和電離效應﹐確定質量大於10克的流星粒子的空間密度﹔根據黃道光和F日冕的研究﹐得出質量更小的行星際塵埃粒子的特性和密度。現在﹐這些間接觀測方法大部分已被直接觀測所代替。

射電觀測

行星際空間的射電觀測分為被動觀測和主動觀測。

被動射電觀測是通過觀測天然射電在行星際空間的傳播效應來推斷行星際空間狀態。例如﹐利用嘯聲傳播獲得地球磁層低能粒子的知識﹔通過觀測太陽射電爆發確定太陽風密度有隨著同太陽的距離而變化的關係﹔通過觀測銀河系內或銀河系外那些類似超新星爆發及其遺蹟的射電源輻射在行星際中非各向同性的散洎o求出行星際磁場方向﹐進而得到太陽風方向的信息﹔通過觀測直徑較小的射電源在行星際中的閃爍﹐確定電子密度的不規則性﹑太陽風的方向和速度等。

主動觀測是通過觀測雷達回波的行星際效應來推斷行星際空間狀況。例如﹐觀測太陽﹑行星﹑月球雷達的回波的都卜勒致寬和都卜勒頻移﹐確定回波延遲﹑截面變化﹐獲得日冕電漿向外運動以及太陽風和磁尾中平均電漿密度的信息﹔利用空間飛行器對地面的雙頻傳播﹐測量其相位差和路徑差﹐從而精確確定行星和地球之間行星際電漿的平均密鵲取

直接探測

行星際的直接探測首先要把科學儀器送到行星際空間。人造地球衛星軌道高度一般較低﹐即使是一些軌道很扁的人造衛星也僅能穿透到地球磁層以外很短距離處﹐因此它們主要是探測磁層以內的空間狀態。探測地球磁層以外主要靠行星探測器(見空間天文觀測太空飛行器)。它們在飛向行星或其附近的過程中﹐完成對行星際和行星周圍空間的探測。為測量行星際空間的各種物理參量﹐已設計出幾十種不同類型的儀器。空間探測儀器原理與地面同類儀器相似﹐但要求體積小﹑重量輕﹑耗能少﹑壽命長以能適應空間環境。對木星以遠的外行星際空間探測的儀器來說﹐壽命長尤為重要。表

六十年代的行星際直接探測主要是在地球－金星和地球-火星之間進行。七十年代﹐“水手”10號和“太陽神”探測器已飛向水星﹔“先驅者”10號穿過了小行星帶飛向木星﹔“旅行者”對木星和土星進行對比研究﹐並研究土星-地球之間的行星際物質。

主要結果

行星際直接探測的成果﹐分述如下﹕

輻射帶

在行星際空間探測方面﹐最早的重大發現是地球輻射帶。第二個重大發現是地球周圍複雜的磁層。由於太陽風的作用﹐地球磁場被限制在一定區域內﹐這個區域稱為地球磁層。向日面磁力線被太陽風壓向地球﹐這個方向的磁層邊界(稱為磁層頂)離地面 8～11個地球半徑。背日面磁力線被太陽風吹散﹑拉長﹐像彗星尾巴那樣散布在空間﹐延伸到幾百個地球半徑之外﹐稱為磁尾。行星際監測站1號首先證實磁層頂之外有地球弓形激波存在﹐並發現磁尾存在中性片(即電流片)。在這相當薄(不大於1個地球半徑)的中性片內﹐磁場方向陡然改變。對於太陽系其他行星的磁場和輻射帶也進行過探測。最初的月球探測器和探測金星﹑火星的“水手號”﹐曾得出月球﹑金星﹑火星沒有輻射帶和磁場(或幾乎沒有磁場)的結論。後來﹐“阿波羅”11號和“阿波羅”12號以及蘇聯“月球號”都證實月球有一個極小的磁場。蘇聯“火星”2號和“火星”3號探測表明﹐火星赤道磁場強仍?×10高斯﹐約為地球磁場強度的千分之一。對金星的探測也表明﹐金星有弱磁場。據“水手”10號探測的初步分析﹐水星磁場比月球強得多﹐約為地球磁場的百分之一。根據“先驅者”10號探測﹐木星存在相當強大而複雜的磁場﹐木星輻射帶延伸廣度也大大超過地球輻射帶。

太陽風

五十年代﹐人們根據對彗星尾跡的研究﹐曾提出太陽不斷發射出穩定的粒子流﹐在耀斑爆發期間還發射附加的帶電粒子。1958年把這種穩定粒子流定名為太陽風。對太陽風的直接測量﹐在蘇聯是從1959年發射“月球”2號和“月球”3號開始的﹐美國則是從1961年發射“探險者”10號和“探險者”12號開始的。“探險者”10號證實了蘇聯的太陽風觀測。“探險者”12號不但證實太陽風始終存在﹐而且還觀測到太陽爆發後若干分鐘到達地球的高能粒子和兩天后相繼到達的能量大於 3兆電子伏的微粒。這些粒子迭加在太陽風上。1962～1969年期間﹐對太陽風的靜態特性和時空變化進行了大量的測量。這些測量表明﹐太陽風同太陽活動有最密切的關係﹐幾乎觀測到的全部太陽風參量(通量﹑成分﹑電子與質子的密度﹑電子與質子的溫度﹑磁場強度等)都有起伏。這是太陽活動造成的太陽風的空間不均勻性和隨時間的變化。在太陽風中還觀測到日地間激波和磁流間斷等現象﹐這是行星際電漿和流體相似的證據。觀測表明它們可能是流入太陽系的星際中性氣體。

固體物質

包括微流星和質量更小的宇宙塵。利用空間飛行器很容易記錄到質量甚至小於 10克的粒子﹐並可從100公里以上高度處直接獲得流星粒子樣品﹐決定其物理化學性質。據“火星”1號得到的直到離地球4﹐500萬公里的流星撞擊記錄﹐發現空間流星物質分布很不均勻。在沒有已知流星雨影響時﹐質量大於10克的粒子平均每秒內每平方厘米撞擊2×10次﹐而在空間一定區域的有限時間內﹐可低於10～10次﹐在流星雨中則增大到10～10次。據目前一些探測記錄﹐但“先驅者”10號穿過小行星帶時﹐儀器並沒有記錄到塵埃密度的明顯變化。

行星際磁場

空間飛行器觀測獲得的資料說明行星際磁場方向的特徵是扇形結構。行星際監測站 1號的觀測首先揭示﹐行星際磁場先在連續幾天之內有一個主要方向(朝向太陽或背離太陽)﹐幾天以後又改變為另一個主要方向﹐因而呈現出扇形結構。兩個扇形之間的邊界非常薄(不大於15萬公里)。行星際監測站 1號觀測以及行星際監測站3號與“先驅者”6號的同時觀測都得出如下結果﹕扇形結構隨太陽旋轉﹐呈現27天的周期性。當扇形邊界掃過地球時﹐觀測到輻射帶﹑地磁活動等方面有相應的變化。

參考書目

W.R.Corliss﹐ Space Probe and Planetary Exploration﹐D. Van Nostrand Co.﹐Princedon﹐1965.

A.Henderson and J.Grey eds﹐Exploration of The Solar System﹐AIAA Review﹐28 Feb.﹐1974.

C.P.Sonett et al.﹐ Solar Wind﹐NASA SP-308﹐Scientific and Technical Information OfficeNASA﹐Washington﹐1971.