作者:郑见 来源:科学时报 发布时间:2011-12-26 8:48:19
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洞察太空需“神目”:夸父计划进展综述

 
郑 见
 
日地系统是一个多尺度、大交叉的非线性系统,单个理论和局域观测无法解决其中的问题。迄今为止,国际上对日地系统全局性、全面性的观测尚属空白。我国科学家提出的“夸父”计划,是弥补这一空白的宏大而巧妙的设想。
 
日地系统需全局观测
 
日地空间的等离子体系统是人类可以就近观测的大型复杂系统,中间蕴涵着极其丰富的物理过程。在过去的半个世纪里,人们对这些过程进行了多方面的观测,对两个甚至更多过程的相互耦合也有了相当的认识。
 
然而,日地空间总的物理行为是几十个重要过程耦合的结果。对这样一个多尺度、大交叉的非线性系统,单个理论和局域观测无法解决其中的问题,须对日地系统进行全局观测方可初窥端倪。
 
由于卫星公转和轨道进动等原因,有效观测周期只有30%。比如科学家们就从未实现过对极光的长期连续观测,因此也无法深入了解这一系统。
 
“夸父B星处于稳定的莫里亚轨道,不存在进动问题。再加上是两颗卫星轮流观测,可以对极光达到100%的覆盖。另外还能对太阳表面物质抛射和L1点太阳风进行连续性观测。”夸父计划首席科学家刘维宁通过电子邮件告诉记者。
 
2003年1月24日,在国家自然科学基金委员会地学部“关于推动空间天气研究座谈会”上,中国科学院院士、北京大学教授涂传诒等人提出“夸父计划”的科学思想和基本概念。
 
夸父计划由3颗卫星组成,夸父A星设置在距地球150万公里的日地连线L1点上,它能每天24小时面对太阳,观测太阳扰动过程。在地球轨道上,放置夸父B1和夸父B2两颗卫星,对北极进行24小时连续的成像观测,对极光现象与太阳粒子喷发进行研究。
 
夸父计划的3颗卫星紧密配合,将对空间天气系统进行全局性的、全面的、连续综合观测,因此也被称作人类注视太空的“神目”。
 
基于夸父计划在空间天气研究、航空航天和军事方面的重要意义。该构想一提出就得到了很多单位和专家的支持。随后,在国家自然科学基金委员会和国防科工委研究项目的支持下,我国科学家对夸父计划的科学背景、科学目标以及为实现科学目标要求而配置的有效载荷等方面展开了全面的预先研究。
 
作为夸父计划的参与者之一,山东大学威海分校空间科学与物理应用系教授夏利东说:“在空间天气预防方面,我们大部分还是用国外资料。夸父计划的实施,将从根本上改变我国空间天气业务依赖国外数据的现状,使我国成为国际上最重要的空间天气数据源之一。”
 
从空间天气的角度看,对太阳系风暴的源和汇的综合及观测,是了解能质传播特征的必需条件,也是提高预报水平的重要手段。国际上在这方面的观测尚属空白。夸父计划是弥补这一空白点的既宏大又巧妙的设想,它代表了国际空间系统科学的前沿和最高水平,是我国对空间物理领域下一阶段创新发现的一大贡献。
 
2016开启“逐日”之旅
 
“目前欧洲空间局正在考虑加入夸父B计划中来,提供其中的一颗卫星。加拿大航天局在考虑另外一颗。”刘维宁说,“我们希望能在2016年发射。”
 
2009年,中国科学院将夸父计划列入空间科学卫星先导专项。2010年3月,国务院批准了中国科学院的专项申请。2011年,财政部拨发启动经费3000万元,支持夸父平台、发射和有效载荷方面的技术攻关。中科院国家空间科学中心也成立夸父专项办公室,专职协调管理夸父工程。
 
2010年6月,中科院和欧空局举行会谈,经过多次讨论磋商,欧方确认了可以向夸父A提供的两台仪器。2010年11月,夸父团队的中、欧、加科学家举行了第三次工作会议。经过初步论证,夸父计划将从欧洲获取第三台仪器,莱曼-?琢和白光内日冕仪。今年3月,中国科学院和欧空局再次举行会谈,双方的合作从意大利提供整台仪器,中意双方共同研发,调整为中国在意大利专家的指导下独力开发。
 
今年3月,加拿大航天局代表团在和中科院领导会谈期间,提出为夸父B专门制作两个卫星的可能。这相对于利用加拿大PCW应用卫星搭载实现夸父B科学目标的原始方案,无疑是很大的改进。中加双方正在就此进行密切协商。今年4月,夸父A星的仪器调整方案也初步拟定。
 
“加拿大在极光成像研究方面处于国际领先地位,遍布加拿大的大规模地面观测网络可以提供有价值的补充观测。”刘维宁说,“欧洲参与夸父A,源于欧空局领导的SOHO卫星计划非常成功,及对其2017年发射太阳轨道器的支持作用。欧空局考虑加入夸父B,则是出于欧洲另外一项成功的卫星项目Cluster。中国的双星计划和Cluster有很好的配合,双方科学家和管理层因此建立了良好的关系。”
 
目前夸父计划进展良好,但仍然存在大量问题需要解决,其中重要一点是对夸父A有效载荷研发的支持。如何确保该科学计划能获取最大的产出,是我国空间科学家们关心的问题。夸父计划的成功实施,将在复杂系统科学和空间天气预报这两大焦点领域,产生前所未有的领先成果。
 
《科学时报》 (2011-12-26 A4 基金)
 
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