一文看懂美國未來十年太陽和空間物理“路線圖”

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原文發(fā)表于《科技導(dǎo)報(bào)》2025年第5期《美國2024太陽和空間物理十年調(diào)查解讀和對中國的啟示》

2024年12月5日，美國國家科學(xué)院發(fā)布了新的十年調(diào)查報(bào)告《太陽和空間物理探索的未來十年：探索和保護(hù)人類的太空家園（2024—2033年）》，引起了國際空間科學(xué)領(lǐng)域的廣泛關(guān)注。《科技導(dǎo)報(bào)》邀請王赤院士團(tuán)隊(duì)對這一報(bào)告進(jìn)行了解讀，分析其發(fā)展愿景、科學(xué)主題和擬解決的科學(xué)問題、科學(xué)探測任務(wù)等，并探討了其對中國相關(guān)領(lǐng)域發(fā)展的啟發(fā)與借鑒。現(xiàn)摘編此文，邀您一同遨游未來十年太陽和空間物理探索的浩瀚宇宙。

自20世紀(jì)60年代以來，美國國家科學(xué)院（NAS）通過其下設(shè)的空間研究委員會(huì)（SSB），每10年發(fā)布一次“十年調(diào)查”發(fā)展戰(zhàn)略規(guī)劃報(bào)告，反映了空間科學(xué)界的最重要科學(xué)問題，并提出了優(yōu)先實(shí)施的科學(xué)探索任務(wù)清單。這些報(bào)告對美國國家航空航天局（NASA）制定未來空間科學(xué)衛(wèi)星計(jì)劃和遴選項(xiàng)目起到了至關(guān)重要的作用。

2024版十年調(diào)查報(bào)告《太陽和空間物理探索的未來十年：探索和保護(hù)人類的太空家園（2024—2033年）》（簡稱2024太陽和空間物理十年調(diào)查），是繼2003年和2013年之后第3個(gè)中長期戰(zhàn)略規(guī)劃報(bào)告。SSB成立了專門的指導(dǎo)委員會(huì)來牽頭組織編制工作，下設(shè)5個(gè)研究組。該報(bào)告編制工作歷時(shí)2年，約80名科學(xué)家、工程師和政策專家參與其中。期間共收到450份“白皮書”作為輸入文件，最終于2024年12月5日由NAS正式發(fā)布。

1 規(guī)劃分析解讀

1.1 愿景

報(bào)告提出兩大愿景（表1）：

• 科學(xué)探索：聚焦探索和發(fā)現(xiàn)宇宙奧秘；

• 空間天氣應(yīng)用：致力于拓展和保護(hù)人類太空家園。

表1 2024太陽和空間物理十年調(diào)查愿景及使命

1.2 未來10年科學(xué)主題

在兩大愿景下，按科學(xué)探索和空間天氣兩個(gè)維度提出6個(gè)主題。

表2 2024太陽和空間物理十年調(diào)查科學(xué)探索主題及其指導(dǎo)性問題

• 科學(xué)探索主題：包括“太陽-地球-太空：相互聯(lián)系的人類家園”、“太空實(shí)驗(yàn)室：認(rèn)知基礎(chǔ)”、“新環(huán)境：探索宇宙鄰域及以遠(yuǎn)”3個(gè)主題，每個(gè)主題下凝練了3個(gè)科學(xué)問題，指導(dǎo)未來研究重點(diǎn)方向（表2）。

• 空間天氣主題：包含“層次化巨系統(tǒng)：空間天氣的驅(qū)動(dòng)因素”、“物理系統(tǒng)的空間天氣響應(yīng)”、“空間天氣對基礎(chǔ)設(shè)施和人類健康的影響”3個(gè)主題，確定了重點(diǎn)研究領(lǐng)域（表3）和未來預(yù)期產(chǎn)出（表4）。

表3 2024太陽和空間物理十年調(diào)查中的空間天氣主題及研究領(lǐng)域

表4 空間天氣服務(wù)未來10年預(yù)期產(chǎn)出

1.3 戰(zhàn)略發(fā)展路線圖

為了實(shí)現(xiàn)太陽和空間物理的2大愿景，2024太陽和空間物理十年調(diào)查提出了3個(gè)研究發(fā)展戰(zhàn)略：

1.3.1 建立綜合性日球系統(tǒng)實(shí)驗(yàn)室（HSL）

HSL旨在將太陽和空間物理領(lǐng)域所有的任務(wù)、項(xiàng)目和計(jì)劃產(chǎn)生的科學(xué)數(shù)據(jù)進(jìn)行統(tǒng)一管理，這些數(shù)據(jù)是拓展太陽和空間物理前沿的關(guān)鍵和基礎(chǔ)。HSL囊括了本領(lǐng)域所有可以產(chǎn)生不同結(jié)構(gòu)科學(xué)數(shù)據(jù)的天基/地基衛(wèi)星和地面大科學(xué)裝置，包括以下內(nèi)容：

NASA的2個(gè)新的旗艦任務(wù)：

• “聯(lián)系號(hào)”（Links）：地球空間多區(qū)域、多尺度聯(lián)系星座任務(wù)，旨在解決全球太陽風(fēng)能量進(jìn)入磁層日側(cè)及后續(xù)能量傳輸?shù)葐栴}。

• “太陽極區(qū)軌道器”（SPO）：通過木星引力輔助進(jìn)入太陽高傾角軌道，對太陽南北兩極進(jìn)行成像和測量。

NSF的3個(gè)大中型地面基礎(chǔ)設(shè)施：

• 下一代太陽全球振蕩監(jiān)測網(wǎng)（ngGONG）：探測研究太陽磁流體力學(xué)和繪制太陽背面的太陽活動(dòng)圖。

• MSRI-1分布式小型陣列（DASHI）：觀測地球高層大氣的關(guān)鍵狀態(tài)參數(shù)。

• MSRI-2頻率敏捷太陽射電望遠(yuǎn)鏡（FASR）：測量太陽大氣中的等離子體過程。

此外，還包括旗艦級(jí)的領(lǐng)域科學(xué)建模計(jì)劃、跨部門的空間天氣研究和業(yè)務(wù)運(yùn)行計(jì)劃以及若干日球?qū)游锢硖剿髡哂?jì)劃任務(wù)。

1.3.2 DRIVE+：升級(jí)的研究和技術(shù)計(jì)劃

DRIVE+計(jì)劃是在2013年版太陽和空間物理十年調(diào)查的DRIVE計(jì)劃基礎(chǔ)上的升級(jí)，主要包括四方面內(nèi)容：

• 引進(jìn)和培養(yǎng)多樣化、跨學(xué)科的研究團(tuán)隊(duì)；

• 倡導(dǎo)機(jī)構(gòu)間的協(xié)調(diào)與合作，促進(jìn)數(shù)據(jù)共享和工具整合；

• 發(fā)展先進(jìn)的研究工具，如超算和人工智能；

• 鼓勵(lì)新技術(shù)研發(fā)，支持未來的科學(xué)任務(wù)和探測。

1.3.3 為未來10年乃至更長遠(yuǎn)的時(shí)間跨度做好充分準(zhǔn)備

通過布局小型飛行驗(yàn)證項(xiàng)目、關(guān)鍵技術(shù)攻關(guān)和預(yù)先研究項(xiàng)目，為未來任務(wù)提供成熟的技術(shù)儲(chǔ)備。同時(shí)加強(qiáng)機(jī)構(gòu)間合作和國際合作伙伴關(guān)系，推動(dòng)未來發(fā)展。

2 對中國的啟示與建議

2.1 加強(qiáng)多維度交叉融合

2024太陽和空間物理十年調(diào)查采用了全面和均衡的研究戰(zhàn)略，充分體現(xiàn)出學(xué)科、領(lǐng)域和應(yīng)用的交叉融合：

• 推動(dòng)太陽物理與空間物理的學(xué)科融合；

• 強(qiáng)調(diào)科學(xué)研究與空間天氣應(yīng)用的融合；

• 加強(qiáng)天基與地基的融合；

• 加強(qiáng)科學(xué)數(shù)據(jù)的融合，通過引入HSL的概念統(tǒng)籌管理數(shù)據(jù)。

中國已經(jīng)實(shí)施了一系列太陽和空間物理領(lǐng)域的探測任務(wù)和業(yè)務(wù)衛(wèi)星項(xiàng)目，建設(shè)了子午工程一期和二期，初步實(shí)現(xiàn)了天地基、科學(xué)與應(yīng)用等結(jié)合；但還需要進(jìn)一步統(tǒng)籌各方資源，優(yōu)化頂層設(shè)計(jì)，加強(qiáng)學(xué)科交叉、天地配合以及科學(xué)與應(yīng)用的融合。

2.2 長期規(guī)劃、持續(xù)支持、前瞻部署

2024太陽和空間物理十年調(diào)查在未來10年內(nèi)將啟動(dòng)實(shí)施多個(gè)旗艦型任務(wù)和中小型任務(wù)以及地面大型科學(xué)裝置。這些任務(wù)的實(shí)施都經(jīng)過了多年的科學(xué)目標(biāo)凝練、科學(xué)方案深化和關(guān)鍵技術(shù)的攻關(guān)驗(yàn)證。中國也需要進(jìn)一步加強(qiáng)預(yù)先研究的部署和支持，降低未來空間科學(xué)任務(wù)工程立項(xiàng)和研制的風(fēng)險(xiǎn)，從體制機(jī)制上保證空間科學(xué)的長期健康發(fā)展。

2.3 夯實(shí)基礎(chǔ)、統(tǒng)籌協(xié)調(diào)、全面發(fā)展

為了實(shí)現(xiàn)太陽和空間物理領(lǐng)域的科學(xué)目標(biāo)，2024版太陽和空間物理十年調(diào)查通過實(shí)施DRIVE+計(jì)劃強(qiáng)調(diào)基礎(chǔ)研究、理論建模、技術(shù)開發(fā)和人才培養(yǎng)等方面的重要性。中國也需要持續(xù)加強(qiáng)太陽和空間物理的學(xué)科建設(shè)，加強(qiáng)各優(yōu)勢單位和優(yōu)勢領(lǐng)域的聯(lián)合，加強(qiáng)青年人才的引進(jìn)和培養(yǎng)，特別是在重大工程任務(wù)中培養(yǎng)領(lǐng)軍人才。同時(shí)，加強(qiáng)空間環(huán)境模擬和測試定標(biāo)等基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)，突破先進(jìn)空間探測有效載荷的關(guān)鍵技術(shù)。

3 結(jié)語

美國2024太陽和空間物理十年調(diào)查的發(fā)布，充分表明了太陽物理和空間領(lǐng)域不僅是基礎(chǔ)研究的前沿，而且對人類的生存發(fā)展具有重要意義。中國于2024年10月15日發(fā)布了《國家空間科學(xué)中長期發(fā)展規(guī)劃（2024—2050年）》，明確了在太陽和空間物理領(lǐng)域的優(yōu)先發(fā)展方向和擬解決的重大科學(xué)問題。未來，中國需要進(jìn)一步加強(qiáng)天地基任務(wù)的配合和數(shù)據(jù)的融合，加強(qiáng)前瞻部署和預(yù)先研究，進(jìn)行長期穩(wěn)定支持，在人才培養(yǎng)、模型工具研發(fā)、基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)等方面做好全面支撐，構(gòu)建良好的學(xué)術(shù)生態(tài)，促進(jìn)成果的應(yīng)用和服務(wù)，一步一個(gè)腳印把規(guī)劃描繪的愿景變?yōu)楝F(xiàn)實(shí)。

來源：《科技導(dǎo)報(bào)》

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