空间物理学中所说的空间,通常是指距离地面几十千米高度以上直至太阳的日地空间。空间物理学主要研究领域包括太阳日冕物理、行星际物理、磁层物理、电离层物理和中高层大气物理等。空间环境科学是顺应现代人类航天活动需求,在空间物理学范畴内形成的一个新的学科分支,主要研究方向是对航天器所在空间的环境及其效应进行探测、研究,保障航天器能够在一个相对安全的空间里稳定、可靠地运行。正是由于这种基础科学研究与应用支持技术的交叉和紧密结合,使得世界各航天大国都对空间环境科学给予充分的重视,中国载人航天工程也把它纳入空间应用的研究范畴。
对于浩瀚无垠的宇宙空间来说,如果我们泛泛地说空间环境,对于人类航天活动尚未到达的空间,就失去了应用支持的意义,我们更注重人类航天活动频繁的地球附近的近地空间环境。
近地空间环境,就基础科学研究而言,更多地是关注与人类航天活动紧密相关的环境条件,保障载人航天的安全,这些条件学术界统称为“空间天气”。“空间天气”这个词是美国科学家首先使用的,借用了大家日常比较熟悉的近地大气气象的一个词汇。空间天气指的并不是近地大气环境中的风、云、雨、雪,而是指存在于航天器轨道空间的残留高层大气、地磁场、地球重力场、高能带电粒子、空间等离子体(低能粒子)、太阳电磁辐射、微流星、空间碎片等空间环境因素。
作为应用支持技术而言,空间环境科学主要研究环境因素对航天器和航天员产生的各种影响,其中包括对航天器轨道、姿态的影响,对航天员身体及航天器材料和器件的损伤、破坏影响等,并研究其抗御对策。
图2-4 SOHO卫星拍摄的太阳耀斑
此外,近地空间环境在太阳活动的直接影响下,经常发生太阳耀斑(图2-4)等各种扰动,这些扰动影响人类的地面工程设施、技术系统,对地面的无线电通信、供电、输油等设施构成威胁,直接影响人类正常、健康的生存环境。因此,空间环境科学研究不仅是服务于航天工程的科学,还是与地球环境科学相交叉的新兴科学领域。中国载人航天应用将其研究内容主要定位在以下两个方面。
1)通过各种手段的探测技术,获取各种空间环境现象的信息资料,研究、认知空间天气变化,特别是灾害性空间天气变化的规律及其对人类活动的影响。
2)通过对探测结果的理论分析、研究,寻找正在空间运行的航天器躲避、预防灾害性事件发生的措施,以及营建适合人类空间生存的环境策略。
当然,随着航天技术的发展,人类达到的空间范围会扩展,空间环境的研究领域也会延伸,这是该学科未来发展的方向。