空間科學(xué)指的是什么

【專家解說(shuō)】：

歷史淵源

自古以來(lái)，人類(lèi)就向往著宇宙空間。在漫長(zhǎng)的歲月里，先輩學(xué)者傾注了很大的精力去觀測(cè)和研究發(fā)生在地球周?chē)臻g（近地空間）、太陽(yáng)系空間及更遙遠(yuǎn)的宇宙空間的自然現(xiàn)象。如早期對(duì)地磁、天體運(yùn)行、極光、彗尾、太陽(yáng)黑子、太陽(yáng)耀斑和超新星爆發(fā)的觀察等，對(duì)隕石進(jìn)行化學(xué)分析，對(duì)宇宙物質(zhì)的某些化學(xué)組成的光譜測(cè)定等，這些研究積累了人類(lèi)認(rèn)識(shí)宇宙的寶貴知識(shí)。

奠基時(shí)期

20世紀(jì)以來(lái)，短波無(wú)線電遠(yuǎn)程通信試驗(yàn)成功，電離層的發(fā)現(xiàn)，宇宙線的觀測(cè)，磁暴和電離層暴27天重現(xiàn)性與太陽(yáng)自轉(zhuǎn)有關(guān)的發(fā)現(xiàn)，以及等離子體振蕩的發(fā)現(xiàn)等，也促進(jìn)了理論研究的發(fā)展，如S.查普曼和費(fèi)拉羅(V.C.A.Ferraro)提出了磁穴和環(huán)電流的概念，Sir E.V.阿普爾頓和哈特里 (D.R.Hartree)建立了磁離子理論，朗繆爾(I.Langmuir)提出了等離子體的概念，H.阿爾文預(yù)言阿爾文波的存在等。在實(shí)驗(yàn)方面，用探空火箭拍攝了太陽(yáng)的整個(gè)光譜，探測(cè)了電離層和高層大氣結(jié)構(gòu)；光譜分析廣泛地用于測(cè)定太陽(yáng)和行星大氣的化學(xué)組成，據(jù)此維爾特(R.Wildt)提出了類(lèi)木行星由大量氫所組成；對(duì)地外生物和地外文明也開(kāi)始了探索。這些都為空間科學(xué)的形成奠定了基礎(chǔ)。

形成時(shí)期

50年代以后，在大量地面臺(tái)站、氣球和火箭觀測(cè)及長(zhǎng)期理論研究的基礎(chǔ)上，空間探測(cè)迫切要求各相關(guān)學(xué)科之間密切配合，要求全球性的協(xié)同觀測(cè)以及發(fā)展新的探測(cè)手段。1956年，在國(guó)際地球物理年大會(huì)上，美國(guó)和蘇聯(lián)宣布將要發(fā)射人造地球衛(wèi)星以增強(qiáng)對(duì)地球物理學(xué)的研究。1957年，蘇聯(lián)首次發(fā)射了人造地球衛(wèi)星，這標(biāo)志著人類(lèi)進(jìn)入了空間時(shí)代。從此，許多國(guó)家和團(tuán)體發(fā)射了大量的空間飛行器并進(jìn)行了廣泛的多學(xué)科的研究，促使空間科學(xué)迅速發(fā)展。

20多年來(lái)，人們對(duì)近地空間環(huán)境進(jìn)行了大量的普查，發(fā)現(xiàn)了地球輻射帶、環(huán)電流，證實(shí)了太陽(yáng)風(fēng)、磁層的存在，發(fā)現(xiàn)了行星際磁場(chǎng)的扇形結(jié)構(gòu)和冕洞等；月球探測(cè)器和“阿波羅”飛船載人登月，對(duì)月球進(jìn)行了探測(cè)和綜合性研究；行星際探測(cè)器系列對(duì)行星進(jìn)行了探測(cè)，并由對(duì)內(nèi)行星發(fā)展到內(nèi)外行星的探測(cè)；天文觀測(cè)衛(wèi)星系列對(duì)太陽(yáng)、銀河輻射源、河外源,在紅外、紫外、X射線和γ射線波段進(jìn)行了探測(cè)。在取得上述進(jìn)展的同時(shí)，空間生命科學(xué)也相應(yīng)地迅速發(fā)展起來(lái)。例如研究人在空間長(zhǎng)期生存的一系列問(wèn)題，包括在失重、超重、高能輻射、節(jié)律改變等條件下人體的適應(yīng)能力等；空間生物學(xué)、醫(yī)學(xué)和生保系統(tǒng)的研究也取得了很大的進(jìn)展；關(guān)于地外生命也在進(jìn)一步探索。

在70年代后期，空間科學(xué)的發(fā)展進(jìn)入了更高階段。這主要表現(xiàn)為：對(duì)重大科學(xué)課題的研究更有針對(duì)性，并能制定周密的探測(cè)與研究計(jì)劃，同時(shí)加強(qiáng)了理論研究；在開(kāi)展廣泛的國(guó)際合作下，進(jìn)行了全球性的協(xié)同探測(cè)與研究。航天飛機(jī)的出現(xiàn)，將開(kāi)辟空間科學(xué)史的一個(gè)新紀(jì)元，成為空間時(shí)代第二階段的標(biāo)志。。

2學(xué)科內(nèi)容編輯空間物理

主要研究發(fā)生在日球空間范圍內(nèi)的物理現(xiàn)象的學(xué)科。它的研究對(duì)象，包括太陽(yáng)，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(guān)系。

日地物理

（即日地關(guān)系）是空間物理學(xué)的主要部分，是太陽(yáng)物理學(xué)和地球物理學(xué)之間的邊緣學(xué)科。它研究太陽(yáng)能量的產(chǎn)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(duì)地球所產(chǎn)生的影響等整個(gè)過(guò)程。太陽(yáng)中心部分的核聚變所釋放的輻射能，經(jīng)過(guò)漫長(zhǎng)的熱擴(kuò)散過(guò)程傳至太陽(yáng)的外層氣體而被吸收，產(chǎn)生對(duì)流不穩(wěn)定性，稱為對(duì)流區(qū)。最后大部分能量作為熱能傳到光球?qū)佣蛲廨椛?，能量主要在可?jiàn)光波段內(nèi)，這部分能量比較穩(wěn)定。

太陽(yáng)有復(fù)雜的磁場(chǎng)結(jié)構(gòu)，黑子的磁場(chǎng)強(qiáng)度達(dá)數(shù)百至數(shù)高斯（1高斯=10-4特斯拉）,它們的極性具有準(zhǔn)周期性，因而太陽(yáng)活動(dòng)及相關(guān)地球物理現(xiàn)象也有準(zhǔn)周期變化。凍結(jié)于對(duì)流區(qū)等離子體內(nèi)的磁場(chǎng)隨等離子體的對(duì)流、湍流運(yùn)動(dòng)彎曲扭轉(zhuǎn)，從而產(chǎn)生一些強(qiáng)的磁場(chǎng)活動(dòng)區(qū)，如表現(xiàn)在光球面上的黑子。儲(chǔ)存的磁能在適當(dāng)條件下會(huì)被迅速釋放，表現(xiàn)為強(qiáng)烈的太陽(yáng)活動(dòng)，耀斑是其中最強(qiáng)烈的。對(duì)流區(qū)內(nèi)部分等離子體浮涌出光球和色球，受到加速加熱而形成日冕和太陽(yáng)風(fēng)。太陽(yáng)風(fēng)將太陽(yáng)磁場(chǎng)帶入行星際空間，由于太陽(yáng)的自轉(zhuǎn)和太陽(yáng)磁赤道面稍有彎曲，從地球赤道上看，行星際磁場(chǎng)呈阿基米德螺旋線狀和具有磁極性相同的扇形結(jié)構(gòu)，從太陽(yáng)活動(dòng)區(qū)浮涌出色球表面的等離子體，一般又重新落到附近表面，形成閉合的穹形磁力線雙極結(jié)構(gòu)，但在有些區(qū)域可能出現(xiàn)開(kāi)放的磁力線，伸展致行星際空間，產(chǎn)生沿磁力線流出的高速等離子體流，這樣的區(qū)域稱為冕洞。異常的太陽(yáng)活動(dòng)致使電磁輻射和帶電粒子流增強(qiáng)，增強(qiáng)的電磁輻射主要在紫外線、X射線、γ射線和射電波段內(nèi)的非熱輻射,這兩類(lèi)增強(qiáng)的能量雖在總輸出能量中所占比例不大，但對(duì)地球大氣層和空間環(huán)境都產(chǎn)生巨大的影響。

日地物理學(xué)的發(fā)展，要求把整個(gè)日地系統(tǒng)作為一個(gè)有機(jī)的整體，進(jìn)行定量的、綜合性的研究。

空間物理學(xué)還包括太陽(yáng)-行星系統(tǒng)的研究。經(jīng)過(guò)比較研究，可更好地理解日地系統(tǒng)的物理過(guò)程，從而取得對(duì)作為一個(gè)整體的太陽(yáng)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(jié)構(gòu)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(xué)

利用空間飛行器在地球稠密大氣外進(jìn)行天文觀測(cè)和研究的一門(mén)學(xué)科。人們通過(guò)接收宇宙天體的電磁輻射來(lái)研究它們的物理狀態(tài)和過(guò)程。這種電磁輻射波長(zhǎng)在108～10-12厘米范圍內(nèi)，但在地面上,僅能從可見(jiàn)光和射電兩個(gè)大氣窗口來(lái)觀測(cè)天體，從而發(fā)展成為天文學(xué)的光學(xué)天文學(xué)和射電天文學(xué)兩個(gè)分支?？臻g技術(shù)的發(fā)展,開(kāi)拓了紅外天文學(xué)、紫外天文學(xué)、X射線天文學(xué)和γ射線天文學(xué)等嶄新的領(lǐng)域。

由于大氣的湍流運(yùn)動(dòng)，使光波經(jīng)過(guò)時(shí)產(chǎn)生起伏，造成光學(xué)望遠(yuǎn)鏡的頻譜分辨率和角分辨率降低。將高分辨率的光學(xué)望遠(yuǎn)鏡安裝在空間實(shí)驗(yàn)室里，能顯著地提高它的分辨本領(lǐng)。

高能天體和激烈活動(dòng)的天體現(xiàn)象，產(chǎn)生著X射線和γ射線，這包括溫度達(dá)數(shù)千萬(wàn)至數(shù)億度的熱輻射和在強(qiáng)烈爆發(fā)過(guò)程中產(chǎn)生的相對(duì)論性帶電粒子所發(fā)出的非熱輻射，例如超新星爆發(fā)及其遺跡產(chǎn)生的輻射；當(dāng)一致密星（中子星或黑洞）與一伴星形成雙星時(shí)，致密星對(duì)伴星的吸積而產(chǎn)生的輻射。γ射線天文學(xué)直接與核過(guò)程、高能粒子和高能物理現(xiàn)象相聯(lián)系，將日益得到更大的發(fā)展。

有些宇宙天體的輻射主要在紅外波段內(nèi)，如原恒星、紅巨星、恒星際的氣體云和塵埃等?；顒?dòng)星系和類(lèi)星體既有很強(qiáng)的X射線、紫外線輻射,也有很強(qiáng)的紅外線輻射。在恒星際空間發(fā)現(xiàn)很多種無(wú)機(jī)和有機(jī)分子，它們的諧振頻率在波長(zhǎng)較短的微波段內(nèi)，2.7K的宇宙背景輻射主要在毫米波、亞毫米波波段內(nèi)。為了進(jìn)行這些探測(cè)，也要利用空間飛行器才最有利。

空間天文學(xué)的誕生，使天文學(xué)又出現(xiàn)了一次大的飛躍。所研究的星空迥異于地面光學(xué)和射電天文觀測(cè)到的星空?？梢哉f(shuō)，現(xiàn)代天文學(xué)的成就，很多都與空間天文學(xué)的發(fā)展有關(guān)。它改變了對(duì)宇宙的傳統(tǒng)觀念，對(duì)高能天體物理過(guò)程、恒星和恒星系的早期和晚期演化、星際物質(zhì)等的了解，加深了對(duì)宇宙的認(rèn)識(shí)。

空間化學(xué)

研究發(fā)生在空間的化學(xué)過(guò)程、宇宙物質(zhì)的化學(xué)組成及其演化的一門(mén)學(xué)科，又稱宇宙化學(xué)。

在地球大氣層和行星大氣層中，有著復(fù)雜的化學(xué)過(guò)程，包括光化學(xué)反應(yīng)過(guò)程。

空間化學(xué)研究的主要對(duì)象，包括太陽(yáng)系天體、恒星、星系、星際物質(zhì)和星系際物質(zhì)?？臻g化學(xué)要研究構(gòu)成宇宙物質(zhì)的化學(xué)組成，包括元素、同位素、分子等，以及它們的化學(xué)演化規(guī)律。利用空間飛行器在大氣外觀測(cè)，使頻譜分析波段由可見(jiàn)光擴(kuò)展到了紅外線、紫外線、X射線和γ射線范圍；在星際空間發(fā)現(xiàn)了許多種分子，其中有一些是比較復(fù)雜的有機(jī)分子，如氰基、氨等；對(duì)月球和行星的化學(xué)組成進(jìn)行了分析。這使空間化學(xué)研究的內(nèi)容不斷地豐富起來(lái)，從而形成了空間化學(xué)。

空間化學(xué)的發(fā)展，對(duì)于太陽(yáng)系的起源、天體的起源和生命的起源等重大科學(xué)問(wèn)題，有著密切的聯(lián)系。

空間地質(zhì)學(xué) 　研究月球、行星及其衛(wèi)星等天體的物質(zhì)成分、結(jié)構(gòu)，以及形成和演化歷史的一門(mén)學(xué)科。

月球探測(cè)器系列和“阿波羅”飛船對(duì)月球的土壤、巖石、礦物等進(jìn)行了綜合研究，編制出了月球地質(zhì)圖和構(gòu)造圖。月球是人類(lèi)在地球以外研究得最充分的天體。其次就是對(duì)金星、火星的探測(cè)，但僅限于對(duì)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(zhì)學(xué)還是一門(mén)較年輕的學(xué)科。

空間生命科學(xué)

研究在宇宙空間的生命現(xiàn)象和探索地外生命、地外文明的一門(mén)科學(xué)。

在空間時(shí)代，人和生物在宇宙空間的活動(dòng)成了現(xiàn)實(shí)。但是，生命在宇宙空間長(zhǎng)期生存，就有著一系列需要研究的科學(xué)問(wèn)題。這包括：微重力條件、宇宙輻射環(huán)境以及生活節(jié)律的改變給人和生物帶來(lái)的影響。相應(yīng)地，空間生理學(xué)、空間生物學(xué)、空間醫(yī)學(xué)以及生命保護(hù)系統(tǒng)的研究也取得了很大的進(jìn)展。總起來(lái)說(shuō)，空間飛行環(huán)境對(duì)人和生物是極其嚴(yán)峻的，但實(shí)踐證明，隨著空間生物學(xué)、醫(yī)學(xué)及生保技術(shù)的發(fā)展，人是能夠在空間飛行環(huán)境下較長(zhǎng)期地生活和工作的。

利用空間飛行來(lái)尋找宇宙中的生命，是十分令人感興趣的重大科學(xué)問(wèn)題。經(jīng)過(guò)對(duì)行星的探測(cè)，特別是對(duì)火星的探測(cè)，尚未發(fā)現(xiàn)生命的跡象。但已在空間發(fā)現(xiàn)了30多種有機(jī)分子，其中有幾種屬于地球生命的基本物質(zhì)?？茖W(xué)家們渴望能在星際空間找到更高級(jí)的有機(jī)分子形式。

3探測(cè)方法編輯

空間探測(cè)是空間科學(xué)研究的基礎(chǔ)。空間探測(cè)的主要類(lèi)型包括：

空間飛行器

指人造地球衛(wèi)星、月球和行星探測(cè)器、空間實(shí)驗(yàn)室、航天飛機(jī)等的探測(cè)。這是空間探測(cè)的主要手段，探測(cè)的空間范圍廣、時(shí)間長(zhǎng)。

火箭

探測(cè)的機(jī)動(dòng)性強(qiáng)，但由于飛行時(shí)間短而受到某些限制。

氣球

比較簡(jiǎn)便，適宜對(duì)平流層、臭氧層的探測(cè)，不足之處是探測(cè)范圍小，探測(cè)高度也受到限制。

地面臺(tái)站

這是以地面為基地的間接探測(cè)方法。具有連續(xù)性和穩(wěn)定性的優(yōu)點(diǎn)，缺點(diǎn)是受大氣層的影響較大。在進(jìn)入空間時(shí)代以后，即以空間飛行器的探測(cè)為主。地面探測(cè)是輔助性的，但仍是一種必要的探測(cè)方法。

4展望編輯

空間科學(xué)在實(shí)際應(yīng)用方面已取得了很大進(jìn)展，如在通信、導(dǎo)航、測(cè)地、氣象觀測(cè)、遙感等方面。在空間環(huán)境中，對(duì)于研制和生產(chǎn)高質(zhì)量的單晶、多晶、合金和非晶態(tài)材料，以及高精度的電子、光學(xué)元件和特殊藥品等，將產(chǎn)生巨大的經(jīng)濟(jì)效果。現(xiàn)代空間科學(xué)技術(shù)，已發(fā)展到有可能在地球同步軌道的高度建立太陽(yáng)能衛(wèi)星發(fā)電站，以獲得取之不盡、用之不竭的潔凈能源。空間的開(kāi)發(fā)和利用已向人類(lèi)展示了美好的前景。