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国际背景和现状:如火如荼
自1957 年第一颗人造卫星上天以来,人类将认识世界、改造世界的脚步踏向了地球之外。60 多年来,人类向宇宙空间发射了上百颗各类行星探测飞船,对太阳系各大行星、小行星、卫星、彗星等天体开展了各式各样的探测,如“信使号”水星探测计划、“MAVEN”火星探测计划、“罗塞塔”彗星探测计划、“朱诺”木星探测计划和“卡西尼”土星探测计划等。
当前国际行星科学探测方兴未艾。未来还将陆续有“JUICE”木星计划、“BepiColombo”水星计划、小行星采样返回计划、月球基地建设等。除美国、欧盟、俄罗斯和日本外,印度也开展过对月球和火星的探测。行星科学探测,也引起许多非传统航天大国的重视。例如,以色列现已开展了对月探测,而阿联酋、韩国等国目前也在积极推进火星的探测计划。
伴随着飞船不断探测,越来越多的行星“样本”展现出了丰富多彩的大千世界。从行星的内部结构到外部太空环境;从行星的形状、大小、运动等宏观性质到行星的表面化学、粒子逃逸、磁能释放等微观物理过程;从极光、闪电、内部物质喷发(包括火山)等短时间尺度过程到行星内部结构和外部环境形成演化的长期过程;从行星环境变迁到生命在宇宙中的起源、演化和可能的星际传播……人们对行星的不同圈层环境、不同时空尺度的物理过程,以及对生命演化等的认识也越来越深入。
对行星的探测,让人们意识到,若想深入认识并理解地球的演变和宜居环境的形成,唯有对多“样本”的行星作广泛深入的比较研究。而仅依赖传统地球物理学已然很难满足当下对行星比较研究的需求,现今更需要的是一门能融合地球物理学、空间科学、大气科学、物理学等多学科,并能对行星开展综合性比较研究的新型学科。在此背景下,作为行星科学的重要研究方向之一,一门以研究包括行星空间环境、大气环境、表面环境及内部结构等在内的行星多圈层物理过程的新兴交叉学科——行星物理学,近些年来在国际上正迅速形成和发展起来。
行星物理学的形成和发展也是行星探测计划的必然需求。美苏争霸时期的行星探测计划,主要以满足太空竞赛和政治需求为主。随着行星探测技术的成熟,人们愈来愈依赖于具体科学目标来牵引行星探测计划,行星探测也不再是简单地“看一看,探一探”。近些年来,美国、欧盟、日本和印度所发起的一系列重大行星探测计划都具有非常明确的科学目标。例如,日本已经发射了以研究金星大气为主要科学目标的“拂晓”号探测飞船(2010 年发射)。而印度,2008 年发射了“钱德拉扬-1 号”(Chandrayaan-1)月球探测飞船,用以寻找月球表层和浅表层里的水;2013 年又发射了“曼加里安”号(Mangalyaan)火星探测飞船以研究火星大气的成分和动力学过程。这些科学目标明确的探测计划,不仅推动了行星物理学研究的快速发展,而且对行星物理学的知识和人才也提出了更高需求。
行星物理学目前使用的探测手段,不仅有多种地空光学遥感、飞船近距离绕飞探测,也有巡视车在行星表面的巡视探测和地震仪对行星内部结构的测量。这些探测手段,一方面促进各种尖端技术的快速发展(如各种极端物理条件下高性能仪器的研发、超远距离通讯、定位等),另一方面也能够带动各类基础、前沿科学研究(包括实验室物理模拟、高性能计算、大数据分析、人工智能等)。对保障国家航天活动、深空探测工程,以及寻找地外资源、地外生命等,都有不可估量的作用。可以说,行星物理学的研究和发展不仅已成为当前世界各国综合国力的角力场,也正成为衡量国家未来可持续综合发展能力的重要指标。