行星际空间探测[1]（interplanetary exploration ）
太阳系内的广阔行星际空间﹐到处充满著物质﹑辐射和力场。它们具有极为复杂的时空分布特性。在行星周围空间﹐由于行星及其大气和磁场的影响﹐物质﹑辐射和力场的分布特性与远离行星的空间颇不相同。行星际空间的特点是存在著低密度的等离子体﹐充满著所有波长的天体电磁辐射和不同能量的粒子辐射﹐并渗透著行星际磁场。行星际空间探测的任务是弄清整个太阳系内等离子体﹑电磁辐射﹑分布﹑变化以及同行星的相互作用。行星际空间探测也是研究太阳系起源和演化的手段。
探测方法多年以来，人类隔着大气远距离观测行星，不能对行星进行深入研究。行星和行星际探测器为行星研究打开了新的局面。行星探测从20世纪50年代末就开始，80年代后期90年代初各国又陆续发射了各种行星探测器。按照历史发展﹐行星际空间探测方法大致可分为三类﹕
间接观测方法 直到二十世纪五十年代后期﹐间接观测仍是人类研究行星际空间的一种重要手段。例如﹐根据彗星尾迹方向﹑黄道光偏振﹑地磁活动﹑宇宙线调制的观测﹐推断太阳风的存在﹐确定太阳风速度﹑成分以及同地磁活动的关系﹔根据流星穿入地球大气时产生的发光现象和电离效应﹐确定质量大于10克的流星粒子的空间密度﹔根据黄道光和F日冕的研究﹐得出质量更小的行星际尘埃粒子的特性和密度。现在﹐这些间接观测方法大部分已被直接观测所代替。
射电观测方法 行星际空间的射电观测分为被动观测和主动观测。
被动射电观测是通过观测天然射电在行星际空间的传播效应来推断行星际空间状态。例如﹐利用啸声传播获得地球磁层低能粒子的知识﹔通过观测太阳射电爆发确定太阳风密度有随著同太阳的距离而变化的关系﹔通过观测银河系内或银河系外那些类似超新星爆发及其遗迹的射电源辐射在行星际中非各向同性的散洎o求出行星际磁场方向﹐进而得到太阳风方向的信息﹔通过观测直径较小的射电源在行星际中的闪烁﹐确定电子密度的不规则性﹑太阳风的方向和速度等。
主动观测是通过观测雷达回波的行星际效应来推断行星际空间状况。例如﹐观测太阳﹑行星﹑月球雷达的回波的多普勒致宽和多普勒频移﹐确定回波延迟﹑截面变化﹐获得日冕等离子体向外运动以及太阳风和磁尾中平均等离子体密度的信息﹔利用空间飞行器对地面的双频传播﹐测量其相位差和路径差﹐从而精确确定行星和地球之间行星际等离子体的平均密鹊取
直接探测方法 行星际的直接探测首先要把科学仪器送到行星际空间。人造地球卫星轨道高度一般较低﹐即使是一些轨道很扁的人造卫星也仅能穿透到地球磁层以外很短距离处﹐因此它们主要是探测磁层以内的空间状态。探测地球磁层以外主要靠行星探测器(见空间天文观测航天器)。它们在飞向行星或其附近的过程中﹐完成对行星际和行星周围空间的探测。为测量行星际空间的各种物理参量﹐已设计出几十种不同类型的仪器。空间探测仪器原理与地面同类仪器相似﹐但要求体积小﹑重量轻﹑耗能少﹑寿命长以能适应空间环境。对木星以远的外行星际空间探测的仪器来说﹐寿命长尤为重要。表
六十年代的行星际直接探测主要是在地球－金星和地球-火星之间进行。七十年代﹐“水手”10号和“太阳神”探测器已飞向水星﹔“先驱者”10号穿过了小行星带飞向木星﹔“旅行者”对木星和土星进行对比研究﹐并研究土星-地球之间的行星际物质。
主要结果行星际直接探测的成果﹐分述如下﹕
行星周围的磁场和辐射带 在行星际空间探测方面﹐最早的重大发现是地球辐射带。第二个重大发现是地球周围复杂的磁层。由于太阳风的作用﹐地球磁场被限制在一定区域内﹐这个区域称为地球磁层。向日面磁力线被太阳风压向地球﹐这个方向的磁层边界(称为磁层顶)离地面 8～11个地球半径。背日面磁力线被太阳风吹散﹑拉长﹐像彗星尾巴那样散布在空间﹐延伸到几百个地球半径之外﹐称为磁尾。行星际监测站1号首先证实磁层顶之外有地球弓形激波存在﹐并发现磁尾存在中性片(即电流片)。在这相当薄(不大于1个地球半径)的中性片内﹐磁场方向陡然改变。对于太阳系其他行星的磁场和辐射带也进行过探测。最初的月球探测器和探测金星﹑火星的“水手号”﹐曾得出月球﹑金星﹑火星没有辐射带和磁场(或几乎没有磁场)的结论。后来﹐“阿波罗”11号和“阿波罗”12号以及苏联“月球号”都证实月球有一个极小的磁场。苏联“火星”2号和“火星”3号探测表明﹐火星赤道磁场强仍?×10高斯﹐约为地球磁场强度的千分之一。对金星的探测也表明﹐金星有弱磁场。据“水手”10号探测的初步分析﹐水星磁场比月球强得多﹐约为地球磁场的百分之一。根据“先驱者”10号探测﹐木星存在相当强大而复杂的磁场﹐木星辐射带延伸广度也大大超过地球辐射带。
行星际等离子体──太阳风 五十年代﹐人们根据对彗星尾迹的研究﹐曾提出太阳不断发射出稳定的粒子流﹐在耀斑爆发期间还发射附加的带电粒子。1958年把这种稳定粒子流定名为太阳风。对太阳风的直接测量﹐在苏联是从1959年发射“月球”2号和“月球”3号开始的﹐美国则是从1961年发射“探险者”10号和“探险者”12号开始的。“探险者”10号证实了苏联的太阳风观测。“探险者”12号不但证实太阳风始终存在﹐而且还观测到太阳爆发后若干分钟到达地球的高能粒子和两天后相继到达的能量大于 3兆电子伏的微粒。这些粒子迭加在太阳风上。1962～1969年期间﹐对太阳风的静态特性和时空变化进行了大量的测量。这些测量表明﹐太阳风同太阳活动有最密切的关系﹐几乎观测到的全部太阳风参量(通量﹑成分﹑电子与质子的密度﹑电子与质子的温度﹑磁场强度等)都有起伏。这是太阳活动造成的太阳风的空间不均匀性和随时间的变化。在太阳风中还观测到日地间激波和磁流间断等现象﹐这是行星际等离子体和流体相似的证据。观测表明它们可能是流入太阳系的星际中性气体。
行星际的固体物质 包括微流星和质量更小的宇宙尘。利用空间飞行器很容易记录到质量甚至小于 10克的粒子﹐并可从100公里以上高度处直接获得流星粒子样品﹐决定其物理化学性质。据“火星”1号得到的直到离地球4﹐500万公里的流星撞击记录﹐发现空间流星物质分布很不均匀。在没有已知流星雨影响时﹐质量大于10克的粒子平均每秒内每平方厘米撞击2×10次﹐而在空间一定区域的有限时间内﹐可低于10～10次﹐在流星雨中则增大到10～10次。据目前一些探测记录﹐但“先驱者”10号穿过小行星带时﹐仪器并没有记录到尘埃密度的明显变化。
行星际磁场 空间飞行器观测获得的资料说明行星际磁场方向的特徵是扇形结构。行星际监测站 1号的观测首先揭示﹐行星际磁场先在连续几天之内有一个主要方向(朝向太阳或背离太阳)﹐几天以后又改变为另一个主要方向﹐因而呈现出扇形结构。两个扇形之间的边界非常薄(不大于15万公里)。行星际监测站 1号观测以及行星际监测站3号与“先驱者”6号的同时观测都得出如下结果﹕扇形结构随太阳旋转﹐呈现27天的周期性。当扇形边界扫过地球时﹐观测到辐射带﹑地磁活动等方面有相应的变化。
参考书目
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.
