空间物理学主要研究空间环境中的物理过程, 其发展得益于人们对于空间中各种现象的好奇心所驱动的探索行为。纵观数千年来世界各地文明流传下来的史料, 围绕极光、气辉、慧尾、黑子等具有视觉冲击力的空间现象, 观测记录数量愈益丰富, 认知思辨水平逐渐提高, 衍生出多种具有地域特色的人与自然文化体系, 并以神话、传说、礼仪、哲学等形式传承至今。尤其是封建时代的中华文明, 长期推崇“ 天人合一” 的理念, 使得包括空间现象在内的各种“ 天象” 成为影响文明进程的一个重要因素。例如, 极光和慧尾等现象往往与民族兴衰、王朝更迭、邦交征伐等重大历史事件联系起来^[1]。由于观测和记录行为具有政治严肃性, 许多较为显著的现象被详细记录下来, 成为了解空间环境长期变化的重要参考资料。例如, 公元1645— 1715年欧洲和亚洲的极光观测记录同时大幅减少, 成为孟德尔极小期存在的重要佐证^[2]。

空间物理学的形成与发展依赖观测技术的进步。尽管地面观测已持续数千年, 人们始终无法知晓空间中物理过程的触发、发展和变化机理。直到最近100多年, 磁强计、电离层测高仪等地面观测设备的持续运行, 探空气球、火箭和大功率雷达技术的不断进步, 使得人们终于告别裸眼观测的时代, 本质上提高了认知空间的能力。20世纪50年代末期, 人造卫星及其搭载的场和粒子探测仪器实现了空间实地探测, 促成了空间物理研究的飞跃, 使其能够从地球物理、大气物理、天文等学科的交叉状态中发展起来, 形成一门独立的学科^[3]。时至今日, 空间物理研究者已经掌握了地球空间环境中各个区域的电磁场和粒子的平均特征及其最主要的变化规律, 并在一定程度上理解了背后的主要物理过程; 对行星际空间的平静和扰动状态也有了全局性的了解, 并具备了初步的预报能力; 对太阳系其他行星的空间环境有了基本认识, 并能够归纳出其与地球空间环境的主要异同之处。如果把理论体系架构的基本完善作为学科成熟的标志, 那么可以认为空间物理学正处在一个接近成熟的阶段。

当前空间物理发展阶段具有与其他学科同阶段的类似特征。表面上看, 经过数十年的观测数据和相关知识的积累, 论文产出量加速增长, 研究似乎变得越来越容易。实际上是研究难度持续增加, “ 瓶颈效应” 越来越明显。可以从空间探测和研究行为两方面来理解这一特征。

从空间探测来看, 主要体现在从基于单卫星计划的“ 普查” 式研究过渡到基于多卫星计划的针对性研究。20世纪60年代前后属于早期探索阶段, 地球空间的广袤区域中充满了未知, 单颗卫星在运行过程中通常可以产生多个重要发现, 甚至包括意外发现。借助单颗卫星探测的方法基本实现了空间大尺度电磁场和等离子体状态的普查, 确定了各区域的标志性特征, 并勾勒出其基本变化规律。同时也了解到, 空间中的场和粒子存在各种尺度的时间和空间变化, 而单卫星探测并不能对其进行区分, 于是不得不引入各种假设来简化问题。为了突破这一瓶颈, 必须采用多卫星同时探测的方式。欧洲太空局在2000年发射了Cluster卫星簇, 4颗卫星联合观测将以亚暴为代表的全球尺度问题和以磁场重联为代表的微小尺度问题的研究向前推进了一大步。中国在2003— 2004年实施了“ 双星计划” , 并与Cluster联合形成6星联测。美国航空航天局2007年发射包含5颗卫星的THEMIS计划, 针对亚暴问题进行研究; 2015发射包含4颗卫星的MMS计划对磁场重联问题进行研究。不难看出, 这些多卫星探测计划通常设计用来解决较为具体的重要科学问题。

从研究行为来看, 主要体现在对研究者的能力要求越来越高。研究能力受限于研究者的知识宽度、理论架构、逻辑思辨力、思维习惯、数据敏感度、工作经验等方面。早期探索时期的工作方式注重于在解读数据的基础上建立理论, 其难点在于太阳风— 磁层— 电离层— 中高层大气耦合链中单个因果关系的猜测与识别; 而现阶段科学发现的产出方式则更倾向于从理论出发, 锁定证实或证伪的关键环节, 然后有目的地寻找对应的观测数据, 其难点不仅包括因果关系的猜测与识别, 更在于对现有理论的深刻认识和对观测数据的精准理解。这些特征对研究者和研究者共同体的时间和精力构成挑战, 其最优选择必然是根据自己的研究兴趣, 清楚认识研究特长, 选择最有可能在较短时间内取得重大进展的研究方向。

进一步讲, 空间物理现阶段的本质特征可以概括为投入产出比的持续下降。就空间探测而言, 卫星平台和载荷的造价越来越高昂, 却旨在解决少数关键科学问题; 就研究行为而言, 研究者的入门专业训练内容逐渐增加, 研究思路和研究方法的创新难度加大, 而做出重要科学发现的几率却不如以前。当然, 这仅仅是从学科发展共性的角度来论述。从科学发展的角度来讲则很不同, 关键科学问题的解决正是量变到质变的转折点, 例如, 磁场重联的解决不仅有助于理解整个太阳系乃至宇宙中磁化等离子体中的能量转化方式, 还可能帮助缓解未来能源危机。持续增加对传统研究的投入始终是主流之策。

研究人员认为, 当前一些重要的空间物理学前沿问题必须通过突破学科壁垒来取得进展。传统的空间物理研究着眼于空间环境中所发生的过程, 但一些重要过程的驱动因素或控制因素来自于空间环境之外。例如, 空间环境参数长期变化问题。众所周知, 地磁场与太阳风相互作用形成磁层, 同时地磁场也是控制磁层和电离层等离子体运动的基本物理场之一。现代地磁观测显示, 自1840年以来地磁场偶极矩持续衰减了约10%^[4]; 对电离层近百年的观测数据分析发现, 偶极矩的衰减引起了电离层的变化^[5]。而古地磁学研究进一步表明, 地磁发电机至少已存在了42亿年^[6], 在此期间偶极矩存在各种时间尺度和各种幅度的涨落^[7]。尤为引人注目的是, 地磁极性倒转期间, 偶极矩强度可下降1个量级或更甚, 且平均持续时间近万年。这种地磁场变化会对空间环境造成怎样的变化?空间环境的变化是否又影响了地球的演化?对于这些重大问题, 依赖于观测数据的传统空间物理研究方法不再适用, 因为空间环境的主要参数, 如磁层的尺度、电离层F2层峰高等不会在岩石、树轮等常见介质中记录下来, 且目前也未发现其他任何可以记录下这些信息的介质。这些属于空间物理学的问题实际上挑战了空间物理学自身, 惟有打破学科壁垒, 借助与其他学科的交叉研究才有可能找到答案。

空间物理学现阶段的难题给学科本身的发展形成挑战, 同时也带来机遇。现代科学史反复证明, 一个学科的日趋成熟能够对邻近学科产生促进作用, 而被促进的学科亦可加速该学科的发展, 学科间交叉融合, 互相促进, 形成了现代科学的发展脉络。如今学科分支繁杂程度达到历史顶峰, 任何一个领域的研究者都必须通过自身的彻底专业化才能开展有效研究。因此, 学科交叉和研究者跨领域合作, 是科学发展的内在需求, 也必然是未来的主要趋势。空间环境是地球多圈层系统的最外层, 又是日地关系链的中间环节, 其在地球科学中的重要性不言而喻。空间物理学的日渐成熟为理解地球系统的运行和演化规律提供了必要条件, 其与地球科学其他分支学科的交叉融合也必然会推动自身和整个地球科学的发展。

“ 行星地球” 视角在本质上是地球系统科学的思路, 即将地球视为一个多圈层耦合的复杂系统, 各圈层通过物理、化学和动力学过程实现物质和能量的交换、转化和循环, 并作为一个整体系统, 与外界保持物质和能量的交换和转化。这一看似自然的观点并非研究者头脑里固有, 而是经过了长期的发展形成, 且当前并没有得到研究者的普遍重视。正如早期地质学家出于研究方便考虑, 倾向于在距离居住地较近的区域采样, 早期空间物理学家也倾向于在工作地附近建立观测台站, 研究当地的空间环境特征。这种选址方式显然在经费支持、能源供给、设备维护等方面具有优势, 为长期持续观测创造了便利条件。由于1600年Gilbert就在《De Magnete》一书中指出地磁场是一个全球性现象, 组织全球台站联测成为一些研究者的选择。例如, 1882— 1883年和1932— 1933年2次国际极地年, 1957— 1958年国际地球物理年, 都产生了丰硕成果。全球协作催生和强化了将地球空间作为一个整体来研究的观点。时至今日, 研究者已普遍接受, 空间物理中的许多现象, 比如中低纬电离层等离子体分布特征和南大西洋异常区的内磁层结构, 由于受到局地地磁场强度、倾角和偏角的控制, 确实具有十分明显的地域特性。但是, 长期的知识积累也让研究者认识到, 整个空间环境是一个全球尺度的结构, 其中等离子体的分布状态和运动规律也主要受地磁场全球位形的影响。“ 全球化” 视角早已成为空间物理研究的一个基本出发点。简言之, 对地球的认识和研究是一个从“ 局部到整体” 的过程。

人们对行星的研究则是从“ 整体到局部” 。当1609年伽利略把10倍放大能力的望远镜对准天空时, 行星才从一个亮点变成有表面细节的天体。20世纪下半叶, 人造飞船对行星空间的实地探测和遥感探测使得行星空间环境最先被详细了解。截至目前, 人造飞行器仅在月球、火星、金星、土卫六和彗星67P/C-G 5个地外天体上进行过表面实地勘测, 而地质学常用的人工采样只在月球上实现过。由于观测能力的限制, 对行星的研究不得不从一开始就试图从整体上理解, 特别是其与地球的异同之处。随着系外行星不断被发现, 天文学研究者已经习惯于将系外行星与太阳系行星做对比, 尤其是与地球对比来评估系外行星的宜居性。

“ 行星地球” 视角是将地球内部和空间的各个圈层都视为一个耦合的整体系统。事实上, 空间环境中的多圈层耦合思想在最近20~30年已深入人心。电离层— 中高层大气耦合、磁层— 电离层耦合、太阳风— 磁层— 电离层耦合等名词不仅成为许多学术论文的关键词, 也经常被用来命名论文专辑、学术会议、会议专辑、学术团体、探测项目、研究计划等。但是, 磁层、电离层、中高层大气等诸多圈层的耦合发生在同一个背景物理场中, 即地磁场。地磁场起源于液态地球外核中的地磁发电机过程, 而发电机过程又受到其外侧的地幔和其内侧的内核状态的影响。换言之, 地球的内部过程决定了地磁场的状态。地磁场不仅定义了地球空间环境的时空范围, 调控绝大部分空间等离子体运动过程, 决定太阳风能量输入效率以及磁层内能量的存储和释放, 并且其本身也能通过磁场重联的方式实现磁能向粒子动能和热能的转化。在空间物理学发展历史中, 研究者关注的物理过程的时间尺度通常较短, 如磁重联过程的时间尺度为秒, 亚暴过程的为小时, 磁暴过程的为天, 涉及到太阳活动水平的为年。在这种时间尺度下, 地磁场被默认为是稳定的背景场, 地磁发电机过程的变化确实可不予考虑。但在面对前述的空间环境参数长期变化问题时, 即在百年或更长的时间尺度上, 发电机过程必须被考虑进来。于是, 地球内部和外部空间环境应当被视为一个耦合的整体系统, 内部的发电机和太阳是决定空间过程的最主要的2个因素。从空间环境中的多圈层耦合到整个地球系统的多圈层耦合, 是地球科学发展的内在要求。

实际上, 包含空间环境在内的地球多圈层耦合的思想已有比较长的历史。早在1963年, 加拿大地球物理学家Uffen^[8]发表了一篇题为《Influence of the Earth’ s core on the origin and evolution of life》的论文, 指出地核发电机会通过空间物理过程对生命的起源与演化造成影响。他从1959年地球辐射带的发现得到启发, 提出了大胆的猜想:在地磁倒转时期, 地球磁场减弱为零并持续几千年, 于是被捕获在辐射带中的高能粒子被“ 倾倒” 于地面, 造成生物灭绝。文中他又进一步引申推测道:在地核形成之前, 地磁场不可能存在, 太阳高能粒子对地面的轰击将阻止生命形成。这一猜想引发了持续十多年的研究热潮, 但随着小行星撞击说的提出而式微^[9]。同时期空间物理学处于探索发现期, 研究者们大多被空间中各区域的新颖的观测数据所吸引, 虽然也有少量探索性工作发表^[9], 但多圈层耦合的思想并未被广泛重视。当然, 这并非是一件令人遗憾的事情, 因为当时空间物理学需要解决的主要问题是探明空间各区域的磁场和等离子体状态以及建立基本理论体系, 而非我们现在所遇到的空间环境参数长期变化等问题, 且古地磁学等其他相关学科也远未成熟, 尚不具备开展大规模交叉研究的必要条件。当前“ 行星地球” 视角之所以显得重要和必要, 也正是空间物理学现阶段特征和所面临的重大问题所决定的。

比较行星空间物理是指基于“ 行星地球” 视角的空间物理学的对比和交叉研究。把地球视为一颗行星, 而非我们的“ 家园” ; 把太阳系中所有行星及其卫星, 甚至系外行星, 视为同等重要的研究样本, 是比较行星空间物理研究思路的基本出发点。比较行星空间物理主要关注以下2个方面:

本文阐述了比较行星空间物理研究的发展背景、内容和意义。地球科学研究的重要目的是了解地球系统运行的规律。空间环境作为地球多圈层耦合系统的重要环节, 目前尚未发现有介质能够记录其在地质时间尺度的变化。比较行星空间物理研究可以利用太阳系行星空间环境的多样性来解决这一问题, 因而必然成为空间物理学的一个新的发展方向。

随着嫦娥系列计划的实施和首个火星探测计划的立项, 我国行星科学研究将迎来新的发展契机。2016年末中国地球物理学会行星物理专业委员会的成立标志着中国行星物理研究也进入了有组织和规模化的阶段。在此背景下, 阐述对比较行星空间物理研究的思考和认识, 期望能起到抛砖引玉之功效。