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天文學畢業論文
天文學是研究宇宙空間天體、宇宙的結構和發展的學科。下面，小編為大家分享天文學畢業論文，希望對大家有所幫助！
摘 要：空間物理學日趨成熟，既豐富了人類對地球和行星空間的認識，也引申出更具挑戰性的問題。一些涉及行星演化問題的解決倚賴與其他學科的交叉探索，要求研究者從行星地球的視角出發，把地球視為一個從地核到磁層的多圈層耦合系統。作為系統外層環節的空間環境，其中的問題可通過比較行星研究的思路找到突破口。基于學科交叉的比較行星空間物理研究將是未來空間物理學的一個重要發展方向。闡述比較行星空間物理研究的思路和必要性，梳理研究現狀，并展望研究前景。
關 鍵 詞：空間物理; 磁層; 電離層; 行星; 比較行星學
1 空間物理研究的挑戰和機遇
空間物理學主要研究空間環境中的物理過程，其發展得益于人們對于空間中各種現象的好奇心所驅動的探索行為。縱觀數千年來世界各地文明流傳下來的史料，圍繞極光、氣輝、慧尾、黑子等具有視覺沖擊力的空間現象，觀測記錄數量愈益豐富，認知思辨水平逐漸提高，衍生出多種具有地域特色的人與自然文化體系，并以神話、傳說、禮儀、哲學等形式傳承至今。尤其是封建時代的中華文明，長期推崇“天人合一”的理念，使得包括空間現象在內的各種“天象”成為影響文明進程的一個重要因素。例如，極光和慧尾等現象往往與民族興衰、王朝更迭、邦交征伐等重大歷史事件聯系起來[1].由于觀測和記錄行為具有政治嚴肅性，許多較為顯著的現象被詳細記錄下來，成為了解空間環境長期變化的重要參考資料。例如，公元 1645-1715 年歐洲和亞洲的極光觀測記錄同時大幅減少，成為孟德爾極小期存在的重要佐證[2].
空間物理學的形成與發展依賴觀測技術的進步。盡管地面觀測已持續數千年，人們始終無法知曉空間中物理過程的觸發、發展和變化機理。直到最近 100 多年，磁強計、電離層測高儀等地面觀測設備的持續運行，探空氣球、火箭和大功率雷達技術的不斷進步，使得人們終于告別裸眼觀測的時代，本質上提高了認知空間的能力。20 世紀 50 年代末期，人造衛星及其搭載的場和粒子探測儀器實現了空間實地探測，促成了空間物理研究的飛躍，使其能夠從地球物理、大氣物理、天文等學科的交叉狀態中發展起來，形成一門獨立的學科[3].時至今日，空間物理研究者已經掌握了地球空間環境中各個區域的電磁場和粒子的平均特征及其最主要的變化規律，并在一定程度上理解了背后的主要物理過程; 對行星際空間的平靜和擾動狀態也有了全局性的了解，并具備了初步的預報能力; 對太陽系其他行星的空間環境有了基本認識，并能夠歸納出其與地球空間環境的主要異同之處。如果把理論體系架構的基本完善作為學科成熟的標志，那么可以認為空間物理學正處在一個接近成熟的階段。
當前空間物理發展階段具有與其他學科同階段的類似特征。表面上看，經過數十年的觀測數據和相關知識的積累，論文產出量加速增長，研究似乎變得越來越容易。實際上是研究難度持續增加，“瓶頸效應”越來越明顯。可以從空間探測和研究行為兩方面來理解這一特征。
從空間探測來看，主要體現在從基于單衛星計劃的“普查”式研究過渡到基于多衛星計劃的針對性研究。20 世紀 60 年代前后屬于早期探索階段，地球空間的廣袤區域中充滿了未知，單顆衛星在運行過程中通常可以產生多個重要發現，甚至包括意外發現。借助單顆衛星探測的方法基本實現了空間大尺度電磁場和等離子體狀態的普查，確定了各區域的標志性特征，并勾勒出其基本變化規律。同時也了解到，空間中的場和粒子存在各種尺度的時間和空間變化，而單衛星探測并不能對其進行區分，于是不得不引入各種假設來簡化問題。為了突破這一瓶頸，必須采用多衛星同時探測的方式。歐洲太空局在 2000 年發射了Cluster 衛星簇，4 顆衛星聯合觀測將以亞暴為代表的全球尺度問題和以磁場重聯為代表的微小尺度問題的研究向前推進了一大步。中國在 2003-2004 年實施了“雙星計劃”,并與 Cluster 聯合形成 6 星聯測。美國航空航天局 2007 年發射包含 5 顆衛星的 THE-MIS 計劃，針對亞暴問題進行研究; 2015 發射包含 4顆衛星的 MMS 計劃對磁場重聯問題進行研究。不難看出，這些多衛星探測計劃通常設計用來解決較為具體的重要科學問題。
從研究行為來看，主要體現在對研究者的能力要求越來越高。研究能力受限于研究者的知識寬度、理論架構、邏輯思辨力、思維習慣、數據敏感度、工作經驗等方面。早期探索時期的工作方式注重于在解讀數據的基礎上建立理論，其難點在于太陽風-磁層-電離層-中高層大氣耦合鏈中單個因果關系的猜測與識別; 而現階段科學發現的產出方式則更傾向于從理論出發，鎖定證實或證偽的關鍵環節，然后有目的地尋找對應的觀測數據，其難點不僅包括因果關系的猜測與識別，更在于對現有理論的深刻認識和對觀測數據的精準理解。這些特征對研究者和研究者共同體的時間和精力構成挑戰，其最優選擇必然是根據自己的研究興趣，清楚認識研究特長，選擇最有可能在較短時間內取得重大進展的研究方向。
進一步講，空間物理現階段的本質特征可以概括為投入產出比的持續下降。就空間探測而言，衛星平臺和載荷的造價越來越高昂，卻旨在解決少數關鍵科學問題; 就研究行為而言，研究者的入門專業訓練內容逐漸增加，研究思路和研究方法的創新難度加大，而做出重要科學發現的幾率卻不如以前。當然，這僅僅是從學科發展共性的角度來論述。從科學發展的角度來講則很不同，關鍵科學問題的解決正是量變到質變的轉折點，例如，磁場重聯的解決不僅有助于理解整個太陽系乃至宇宙中磁化等離子體中的能量轉化方式，還可能幫助緩解未來能源危機。持續增加對傳統研究的投入始終是主流之策。
研究人員認為，當前一些重要的空間物理學前沿問題必須通過突破學科壁壘來取得進展。傳統的空間物理研究著眼于空間環境中所發生的過程，但一些重要過程的驅動因素或控制因素來自于空間環境之外。例如，空間環境參數長期變化問題。眾所周知，地磁場與太陽風相互作用形成磁層，同時地磁場也是控制磁層和電離層等離子體運動的基本物理場之一。現代地磁觀測顯示，自 1840 年以來地磁場偶極矩持續衰減了約 10%[4]; 對電離層近百年的觀測數據分析發現，偶極矩的衰減引起了電離層的變化[5].而古地磁學研究進一步表明，地磁發電機至少已存在了 42 億年[6],在此期間偶極矩存在各種時間尺度和各種幅度的漲落[7].尤為引人注目的是，地磁極性倒轉期間，偶極矩強度可下降 1 個量級或更甚，且平均持續時間近萬年。這種地磁場變化會對空間環境造成怎樣的變化? 空間環境的變化是否又影響了地球的演化? 對于這些重大問題，依賴于觀測數據的傳統空間物理研究方法不再適用，因為空間環境的主要參數，如磁層的尺度、電離層 F2 層峰高等不會在巖石、樹輪等常見介質中記錄下來，且目前也未發現其他任何可以記錄下這些信息的介質。這些屬于空間物理學的問題實際上挑戰了空間物理學自身，惟有打破學科壁壘，借助與其他學科的交叉研究才有可能找到答案。
空間物理學現階段的難題給學科本身的發展形成挑戰，同時也帶來機遇。現代科學史反復證明，一個學科的日趨成熟能夠對鄰近學科產生促進作用，而被促進的學科亦可加速該學科的發展，學科間交叉融合，互相促進，形成了現代科學的發展脈絡。如今學科分支繁雜程度達到歷史頂峰，任何一個領域的研究者都必須通過自身的徹底專業化才能開展有效研究。因此，學科交叉和研究者跨領域合作，是科學發展的內在需求，也必然是未來的主要趨勢。空間環境是地球多圈層系統的最外層，又是日地關系鏈的中間環節，其在地球科學中的重要性不言而喻。空間物理學的日漸成熟為理解地球系統的運行和演化規律提供了必要條件，其與地球科學其他分支學科的交叉融合也必然會推動自身和整個地球科學的發展。
2 “行星地球”視角下的空間物理學
“行星地球”視角在本質上是地球系統科學的思路，即將地球視為一個多圈層耦合的復雜系統，各圈層通過物理、化學和動力學過程實現物質和能量的交換、轉化和循環，并作為一個整體系統，與外界保持物質和能量的交換和轉化。這一看似自然的觀點并非研究者頭腦里固有，而是經過了長期的發展形成，且當前并沒有得到研究者的普遍重視。正如早期地質學家出于研究方便考慮，傾向于在距離居住地較近的區域采樣，早期空間物理學家也傾向于在工作地附近建立觀測臺站，研究當地的空間環境特征。這種選址方式顯然在經費支持、能源供給、設備維護等方面具有優勢，為長期持續觀測創造了便利條件。由于 1600 年 Gilbert 就在《De Magnete》一書中指出地磁場是一個全球性現象，組織全球臺站聯測成為一些研究者的選擇。例如，1882-1883 年和1932-1933 年2 次國際極地年，1957-1958 年國際地球物理年，都產生了豐碩成果。全球協作催生和強化了將地球空間作為一個整體來研究的觀點。時至今日，研究者已普遍接受，空間物理中的許多現象，比如中低緯電離層等離子體分布特征和南大西洋異常區的內磁層結構，由于受到局地地磁場強度、傾角和偏角的控制，確實具有十分明顯的地域特性。但是，長期的知識積累也讓研究者認識到，整個空間環境是一個全球尺度的結構，其中等離子體的分布狀態和運動規律也主要受地磁場全球位形的影響。“全球化”視角早已成為空間物理研究的一個基本出發點。簡言之，對地球的認識和研究是一個從“局部到整體”的過程。
人們對行星的研究則是從“整體到局部”.當1609 年伽利略把 10 倍放大能力的望遠鏡對準天空時，行星才從一個亮點變成有表面細節的天體。20世紀下半葉，人造飛船對行星空間的實地探測和遙感探測使得行星空間環境最先被詳細了解。截至目前，人造飛行器僅在月球、火星、金星、土衛六和彗星67P / C-G 5 個地外天體上進行過表面實地勘測，而地質學常用的人工采樣只在月球上實現過。由于觀測能力的限制，對行星的研究不得不從一開始就試圖從整體上理解，特別是其與地球的異同之處。隨著系外行星不斷被發現，天文學研究者已經習慣于將系外行星與太陽系行星做對比，尤其是與地球對比來評估系外行星的宜居性。
“行星地球”視角是將地球內部和空間的各個圈層都視為一個耦合的整體系統。事實上，空間環境中的多圈層耦合思想在最近 20~30 年已深入人心。電離層-中高層大氣耦合、磁層-電離層耦合、太陽風-磁層-電離層耦合等名詞不僅成為許多學術論文的關鍵詞，也經常被用來命名論文專輯、學術會議、會議專輯、學術團體、探測項目、研究計劃等。但是，磁層、電離層、中高層大氣等諸多圈層的耦合發生在同一個背景物理場中，即地磁場。地磁場起源于液態地球外核中的地磁發電機過程，而發電機過程又受到其外側的地幔和其內側的內核狀態的影響。換言之，地球的內部過程決定了地磁場的狀態。地磁場不僅定義了地球空間環境的時空范圍，調控絕大部分空間等離子體運動過程，決定太陽風能量輸入效率以及磁層內能量的存儲和釋放，并且其本身也能通過磁場重聯的方式實現磁能向粒子動能和熱能的轉化。在空間物理學發展歷史中，研究者關注的物理過程的時間尺度通常較短，如磁重聯過程的時間尺度為秒，亞暴過程的為小時，磁暴過程的為天，涉及到太陽活動水平的為年。在這種時間尺度下，地磁場被默認為是穩定的背景場，地磁發電機過程的變化確實可不予考慮。但在面對前述的空間環境參數長期變化問題時，即在百年或更長的時間尺度上，發電機過程必須被考慮進來。于是，地球內部和外部空間環境應當被視為一個耦合的整體系統，內部的發電機和太陽是決定空間過程的最主要的 2個因素。從空間環境中的多圈層耦合到整個地球系統的多圈層耦合，是地球科學發展的內在要求。
實際上，包含空間環境在內的地球多圈層耦合的思想已有比較長的歷史。早在 1963 年，加拿大地球物理學家 Uffen[8]發表了一篇題為《Influence ofthe Earth's core on the origin and evolution of life》的論文，指出地核發電機會通過空間物理過程對生命的起源與演化造成影響。他從 1959 年地球輻射帶的發現得到啟發，提出了大膽的猜想： 在地磁倒轉時期，地球磁場減弱為零并持續幾千年，于是被捕獲在輻射帶中的高能粒子被“傾倒”于地面，造成生物滅絕。文中他又進一步引申推測道： 在地核形成之前，地磁場不可能存在，太陽高能粒子對地面的轟擊將第 1 期 魏 勇等： 比較行星空間物理17阻止生命形成。這一猜想引發了持續十多年的研究熱潮，但隨著小行星撞擊說的提出而式微[9].同時期空間物理學處于探索發現期，研究者們大多被空間中各區域的新穎的觀測數據所吸引，雖然也有少量探索性工作發表[9],但多圈層耦合的思想并未被廣泛重視。當然，這并非是一件令人遺憾的事情，因為當時空間物理學需要解決的主要問題是探明空間各區域的磁場和等離子體狀態以及建立基本理論體系，而非我們現在所遇到的空間環境參數長期變化等問題，且古地磁學等其他相關學科也遠未成熟，尚不具備開展大規模交叉研究的必要條件。當前“行星地球”視角之所以顯得重要和必要，也正是空間物理學現階段特征和所面臨的重大問題所決定的。
3 比較行星空間物理
比較行星空間物理是指基于“行星地球”視角的空間物理學的對比和交叉研究。把地球視為一顆行星，而非我們的“家園”; 把太陽系中所有行星及其衛星，甚至系外行星，視為同等重要的研究樣本，是比較行星空間物理研究思路的基本出發點。比較行星空間物理主要關注以下 2 個方面：
3.1 行星空間環境多樣性比較行星空間物理研究方法曾在行星空間探索中起到了極為重要的作用。地球空間物理研究起步較早，知識積累遠多于行星空間，借助地球空間的知識來對比理解行星空間，是行星空間研究的重要方法。相比地球，行星探測計劃的技術難度大、造價高，并且遠距離數據傳輸效率低，造成觀測數據少且質量較差。使用少量數據研究全球尺度結構比較困難，研究者通常希望通過與地球或其他行星空間物理的知識框架對比來增加可用信息量，并以此為根據做理論假設。例如，地球電離層的 Chapman 理論比較成熟，金星和火星的電離層的觀測特征大致符合這一理論，研究者對 Chapman 理論加以調整，使之能更好地描述觀測特征，形成了金星和火星電離層的理論框架[10].這種研究思路也同樣用于不同行星、行星衛星和彗星之間，尤其在 20 世紀 80 年代，極大促進了對彗星、金星和火星 3 種無磁星體的空間探索。事實上，這種比較研究的思路，暗含了一個假設，即被對比研究的對象存在明顯共性。
經過數十年的探索，研究人員已經知道，太陽系各行星的空間環境的確存在許多共性。對于共性的認識不僅提升了行星空間物理本身的知識水平，更構成了理解深時和深空問題的重要基礎。近年來，對于地球生命和宜居性的思考讓研究者們對各行星的特性的研究興趣快速升溫。相應地，空間環境多樣性也成為空間物理學的關注熱點。根據演繹邏輯所主張的思維規律，如果想要找出某種現象產生的原因，較為有效的方法是對比該特性出現和不出現2 種情況下與之同步變化的控制參量。因此，通過多行星對比研究，才有望探知各行星空間環境特性的成因及效應。
對于行星科學研究者而言，在掌握了共性的基礎上，研究空間環境多樣性不僅有助于研究人員把握太陽系各行星空間環境的形成和變化規律，還能幫助探索和理解系外行星。對于地球科學研究者而言，共性研究提供了理解地球空間環境演化的知識框架，而對多樣性的準確把握則能進一步促進理解。如第 1 部分所述及，地磁場存在各種時間尺度的變化。初步研究表明，地磁場的變化能夠引發空間環境變化。例如，自 1840 年人們開始對地磁場進行連續的常規觀測以來，地磁偶極磁場強度平均每百年衰減 5% ~7%.理論研究發現地磁場的快速衰減直接導致向陽面磁層頂每百年收縮約 2 000 km[11].而發生在時間更為久遠的地磁場大幅度變化，如地磁倒轉、磁極漂移等情況，并沒有空間觀測資料記錄下來，無從得知當時的空間環境，更無法推測其對地球演化的影響。對于這些困難問題，比較行星空間物理研究方法則提供了有效解決途徑。例如，水星的內稟偶極磁場偶極距僅為地球的萬分之五，“信使號”衛星對水星空間環境的探測表明弱磁層空間環境更容易受太陽風及行星際磁場的控制，輻射帶和等離子層等區域明顯消失，動力學特征及磁層結構顯著區別于當前地球空間環境特征。水星空間環境的研究為理解弱地磁時期空間環境提供了堅實的理論基礎和觀測依據，而對大磁矩外行星，如土星和木星的空間環境觀測研究又為理解歷史上強地磁時期空間環境提供了另一個極端情況。再例如，在地磁倒轉期間，對于非偶極位形時期的地球空間環境既無實際觀測，又缺乏理論支持。而火星空間模型研究和實地觀測為理解該時期地球空間環境提供了重要的依據。通過火星空間模型的研究應用到地球，發現在地磁倒轉期間太陽風能夠驅使更多的氧離子逃逸，較當前地球磁層氧離子逃逸率上升 3~4 個量級，因而有學者提出猜想認為這會導致地球空間環境的惡化并最終降至誘發生物大滅絕的閾值[12]
3.2 行星空間與內部的關聯及協同演化過程今天所看到的行星空間環境的多樣性，無疑是歷經數十億年演化而來的。磁層起源于內部的發電機，電離層是由高層大氣電離而來，而大氣又是行星去氣過程的結果。隨著發電機與去氣過程的演化，行星空間環境必然隨之改變。行星的表面水經由空間過程逃逸損失，可能造成行星整體水儲量顯著減少。而地球內部含水量減少則會對板塊俯沖、巖漿活動、地幔對流、巖石圈地幔與克拉通演化、成礦作用、深源地震等一系列地球化學和地球動力學過程都產生重要影響[13].所以，行星空間與內部可視為一個整體，具有協同演化的特點。
行星空間受到內部過程的影響，通過對空間磁場、電離層和中高層大氣的探測和研究有可能推測出行星內部的活動過程，甚至演化歷史。這些研究一方面可圍繞磁場展開。對太陽系內行星空間環境磁場的測量，發現存在內部發電機過程的天體有水星、地球、土星、木星、天王星、海王星、木衛三等。而火星雖不存在全球磁場，但其表面存在的剩余巖石磁場表明，其歷史上很可能存在過發電機活動過程[14].也有學者類比地磁倒轉，大膽假設火星當前正處于磁極倒轉過程中[15].金星不存在全球磁場，表面剩余巖石磁場目前還沒有確切的觀測證據，至少表明金星當前并不存在發電機。另一方面可圍繞空間物質成分展開。例如，通過對金星高層大氣成分的探測，有學者發現金星目前仍然存在火山活動[16].由于水對行星內部動力學過程和演化具有至關重要的作用[17],行星總體水儲量的增損為理解行星演化提供了關鍵線索。水分子在電離層離解并逃逸的過程具有明顯的質量分餾效應，通過對金星、火星和地球大氣中氫同位素比例( D/H) 的測定和對比，發現金星和火星大氣中的 D/H 比例相比地球要高得多，這成為金星和火星曾經發生劇烈水逃逸過程的最有力證據[18].
行星內部動力學過程也存在被空間過程影響的可能。例如，在所有太陽系行星中，水星弱磁場受太陽風壓縮效應最為明顯。較為直接的結果是變化的太陽風動壓會導致行星內核產生感應電流[19].當前的水星空間環境研究已提供了內核感應電流的間接觀測證據，并且該感應電流產生的感應磁場明顯增強了對水星的保護[20].而該感應作用則能從一定程度上反映出水星內部介質的電導率。因此，利用行星空間觀測研究結果能夠為理解行星內部的動力學活動研究提供新的手段和研究思路。但是，這一方面的研究并未受到足夠重視，探索性研究才剛剛開始。
如果將行星內部與空間視為一個協同演化的系統，那么行星的多樣性體現了各行星演化路徑和演化階段的差異。對比研究不同行星內部-空間耦合系統的目的在于理解過去和預測未來。如果地磁發電機停止，地球會不會變成今天的火星，如果會，又需要多長時間? 類似的問題，只有通過多行星對比才有可能找到線索。
4 結 語
本文闡述了比較行星空間物理研究的發展背景、內容和意義。地球科學研究的重要目的是了解地球系統運行的規律。空間環境作為地球多圈層耦合系統的重要環節，目前尚未發現有介質能夠記錄其在地質時間尺度的變化。比較行星空間物理研究可以利用太陽系行星空間環境的多樣性來解決這一問題，因而必然成為空間物理學的一個新的發展方向。
隨著嫦娥系列計劃的實施和首個火星探測計劃的立項，我國行星科學研究將迎來新的發展契機。2016 年末中國地球物理學會行星物理專業委員會的成立標志著中國行星物理研究也進入了有組織和規模化的階段。在此背景下，闡述對比較行星空間物理研究的思考和認識，期望能起到拋磚引玉之功效。
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