原文發(fā)表于《科技導(dǎo)報(bào)》2026 年第5 期 《 月基地球空間環(huán)境遙感進(jìn)展 》

地球空間環(huán)境是人類航天活動(dòng)和空間技術(shù)應(yīng)用的重要區(qū)域，對(duì)其進(jìn)行持續(xù)監(jiān)測(cè)和研究具有重要意義。《科技導(dǎo)報(bào)》邀請(qǐng)中國(guó)科學(xué)院地質(zhì)與地球物理研究所、行星科學(xué)與前沿技術(shù)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室何飛研究員撰寫文章，綜述了月基對(duì)地球空間環(huán)境遙感的研究進(jìn)展，以及面臨的挑戰(zhàn)和未來(lái)發(fā)展方向。

地球空間環(huán)境是指地球表面以上直至太陽(yáng)活動(dòng)影響所及的空間區(qū)域，包括中性大氣、電離層、磁層等區(qū)域。它是人類航天活動(dòng)和空間技術(shù)應(yīng)用的重要區(qū)域，也是地球系統(tǒng)的重要組成部分。地球空間環(huán)境的變化會(huì)對(duì)宇航員生命、衛(wèi)星運(yùn)行、通信導(dǎo)航、電力系統(tǒng)等產(chǎn)生重要影響，因此對(duì)其進(jìn)行持續(xù)監(jiān)測(cè)和研究具有重要科學(xué)與應(yīng)用意義。太陽(yáng)風(fēng)與地球磁場(chǎng)相互作用形成了磁層空間，磁層空間不同區(qū)域會(huì)產(chǎn)生連鎖響應(yīng)，認(rèn)識(shí)這些耦合過(guò)程中全局/區(qū)域的物質(zhì)和能量輸運(yùn)規(guī)律對(duì)理解和預(yù)測(cè)地球空間天氣與環(huán)境具有極其重要的意義，同時(shí)也是一項(xiàng)重要的挑戰(zhàn)。

人類自進(jìn)入空間時(shí)代以來(lái)，從未停止過(guò)空間探測(cè)的步伐。自1970年代開始，地基和天基遙感技術(shù)逐漸應(yīng)用到空間環(huán)境探測(cè)中。地基觀測(cè)站可以提供高精度的局部觀測(cè)數(shù)據(jù)，但受觀測(cè)波段、地理位置和天氣條件等諸多限制，無(wú)法同時(shí)實(shí)現(xiàn)全球覆蓋。因此，開發(fā)和利用更穩(wěn)定連續(xù)的遙感平臺(tái)是促進(jìn)地球空間環(huán)境探測(cè)與研究跨越發(fā)展的必由之路。月球作為地球唯一的天然衛(wèi)星，具有獨(dú)特的軌道位置和穩(wěn)定的表面環(huán)境，為對(duì)地觀測(cè)提供了理想的平臺(tái)。表1對(duì)比了在地基、天基和月基平臺(tái)開展地球空間環(huán)境遙感的優(yōu)劣勢(shì)。

表1 地基、天基和月基平臺(tái)開展地球空間環(huán)境遙感的優(yōu)劣對(duì)比

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地球空間環(huán)境光學(xué)成像進(jìn)展

地球空間的光學(xué)輻射是開展地球空間環(huán)境光學(xué)遙感的前提。在地球空間，從磁鞘至電離層的絕大部分磁層空間內(nèi)，不同特性的等離子體都有其特征的光學(xué)輻射。

不同波段進(jìn)行不同方式的光學(xué)成像可用于解決不同的科學(xué)問(wèn)題。

• 在30.4 nm或X射線波段對(duì)地球磁鞘進(jìn)行全景成像（磁鞘全景成像），可以可視化弓激波和磁層頂?shù)娜S形態(tài)結(jié)構(gòu)，為近地空間天氣效應(yīng)研究提供準(zhǔn)確的輸入。

• 在30.4 nm波段對(duì)地球等離子體層進(jìn)行全景成像（等離子體層全景成像），可以觀測(cè)地球磁層大尺度對(duì)流特征，揭示地球物質(zhì)分布的動(dòng)態(tài)變化規(guī)律。

• 地球兩極的橢圓狀極光區(qū)是太陽(yáng)風(fēng)和磁層高能粒子沿磁力線進(jìn)入地球空間的投影，在X射線?極紫外?遠(yuǎn)紫外波段對(duì)極光全景成像（極光成像），這將突破衛(wèi)星就位觀測(cè)的局限性。

將磁鞘全景成像、等離子體層全景成像、極光全景成像結(jié)合起來(lái)，就可以得到地球磁層空間物質(zhì)與能量傳輸?shù)娜皥D像。

1972年，宇航員約翰?楊（John Young）和查理?杜克（Charles Duke）隨“阿波羅16號(hào)”登陸月球，他們站在月球上回望地球，拍攝了一張前所未有的地球照片：這是首次用遠(yuǎn)紫外光拍攝到地球周圍景象。遺憾的是，至此以后，雖然有大量探測(cè)器飛向月球，但鮮有探測(cè)器攜帶對(duì)地球空間環(huán)境遙感的儀器。

2008年，日本發(fā)射了“月亮女神號(hào)”（Kaguya）月球探測(cè)器。但由于靈敏度低和濾光片故障，TEX未能拍攝到完整的等離子體層極紫外輻射圖像，也未拍攝到磁層圖像。

中國(guó)探月工程“嫦娥三號(hào)”任務(wù)著陸器搭載了一臺(tái)極紫外相機(jī)，于2013年12月14日成功著陸于月球虹灣以東地區(qū)（19.51W，44.12N）?！版隙鹑?hào)”極紫外相機(jī)首次實(shí)現(xiàn)了從側(cè)面對(duì)地球等離子體層的完整成像，如圖1所示。基于“嫦娥三號(hào)”極紫外相機(jī)反演數(shù)據(jù)，發(fā)現(xiàn)亞暴期間等離子體層頂演化與極光邊界演化的同步性。

白色圓圈代表地球位置，左側(cè)白色實(shí)心圓代表太陽(yáng)方向。白色虛線代表地磁軸和徑向距離分別為2、4、6個(gè)地球半徑的偶極磁力線投影。

圖1 “嫦娥三號(hào)”極紫外相機(jī)于2014年4月21日世界時(shí)13:01拍攝的地球等離子體層圖像

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地球空間環(huán)境中性原子成像進(jìn)展

地球空間除了光學(xué)輻射外，還存在一種特殊的粒子輻射。環(huán)電流、磁尾/等離子體片中的高能離子（H+和O+，能量高于1 keV）與地球外逸層中性氫原子發(fā)生電荷交換碰撞，變成高能的中性原子（ENA），這些中性原子保留了高能離子在碰撞時(shí)的能量和運(yùn)動(dòng)方向，通過(guò)中性原子成像儀對(duì)不同方向的ENA進(jìn)行遙感，即可重構(gòu)磁鞘、環(huán)電流、磁尾/等離子體片中的高能離子通量，這就是中性原子成像。

2008年，印度發(fā)射的Chandrayaan?1月球探測(cè)器曾搭載了一臺(tái)能量中性原子分析儀開展環(huán)月軌道探測(cè)。Chandrayaan?1取得的重要發(fā)現(xiàn)包括在月球磁異常區(qū)上空發(fā)現(xiàn)了太陽(yáng)風(fēng)與月球相互作用形成的迷你磁層。2018年，中國(guó)探月工程“嫦娥四號(hào)”任務(wù)的“玉兔號(hào)”月球車上，搭載了一臺(tái)由中國(guó)和瑞典聯(lián)合研制的先進(jìn)小型中性原子分析儀，科學(xué)家提出了太陽(yáng)風(fēng)與月球磁異常相互作用的新圖像，提高了科學(xué)家對(duì)太陽(yáng)風(fēng)與月球磁異常相互作用的認(rèn)識(shí)，揭示了月面ENA能量隨太陽(yáng)風(fēng)入射能量和角度的變化關(guān)系，進(jìn)一步加深了對(duì)太陽(yáng)風(fēng)?月面相互作用機(jī)制的理解，同時(shí)也為太空風(fēng)化過(guò)程和太陽(yáng)風(fēng)成因水的研究提供了新視角。

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月基地球空間環(huán)境遙感展望

月球是地球的天然衛(wèi)星，自轉(zhuǎn)周期與公轉(zhuǎn)周期相同，因此月基觀測(cè)可以實(shí)現(xiàn)對(duì)地球空間環(huán)境的長(zhǎng)期、穩(wěn)定、連續(xù)觀測(cè)。月球約2/3時(shí)間位于地球磁層外，可以提供地球空間環(huán)境的外部全景視角，彌補(bǔ)傳統(tǒng)觀測(cè)手段的不足。

月面平臺(tái)包括著陸在月球表面的著陸器和巡視器，以及未來(lái)可能建設(shè)的月球基地。月球日出后，月表溫度開始急劇上升，并在月球正午時(shí)（即滿月附近）達(dá)到最大值約 120℃，之后開始緩慢下降，且在進(jìn)入月夜后急劇降溫。這對(duì)月面工作的儀器提出了極高的溫控要求。由于月球的軌道運(yùn)動(dòng)特性，半個(gè)月處于白天，半個(gè)月處于黑夜，因此，對(duì)月表工作的設(shè)備的能源也提出了極高的要求。月面還將遭遇到的一種特殊環(huán)境是月塵。月塵易附著在太陽(yáng)能板、機(jī)械關(guān)節(jié)和光學(xué)儀器上，導(dǎo)致效率下降或故障（如阿波羅任務(wù)中相機(jī)受污染）?？偟膩?lái)說(shuō)，雖然月面環(huán)境比較惡劣，但隨著技術(shù)的進(jìn)步，如空間核能技術(shù)、環(huán)境控制技術(shù)、智能技術(shù)的應(yīng)用，基于月面平臺(tái)遙感應(yīng)用將越來(lái)越廣泛。

月球軌道平臺(tái)即環(huán)月衛(wèi)星，軌道高度可根據(jù)需求設(shè)計(jì)，運(yùn)行環(huán)境比月面良好和穩(wěn)定，相比月面平臺(tái)來(lái)說(shuō)更容易實(shí)現(xiàn)，因此也是目前使用最多的平臺(tái)。因此，在月球軌道平臺(tái)上對(duì)地球空間環(huán)境遙感最佳的選擇有2種：

• 一種是高度較高的圓環(huán)軌道，軌道面與地月連線垂直，隨著月相同步漂移，可以實(shí)現(xiàn)對(duì)地球空間遙感器的連續(xù)穩(wěn)定運(yùn)行。

• 另一種是采用大橢圓軌道，衛(wèi)星可以長(zhǎng)時(shí)間處于距離月球較遠(yuǎn)的位置，進(jìn)而可以較穩(wěn)定連續(xù)地指向地球。但這種軌道可能不可避免地出現(xiàn)月球遮擋現(xiàn)象，如“嫦娥七號(hào)”任務(wù)“鵲橋二號(hào)”中繼星。

“嫦娥七號(hào)”任務(wù)“鵲橋二號(hào)”中繼星的工程任務(wù)是接替“鵲橋一號(hào)”為“嫦娥六號(hào)”及后續(xù)探月任務(wù)提供中繼通信保障。在中繼任務(wù)的間隙，“鵲橋二號(hào)”將調(diào)轉(zhuǎn)指向，開展對(duì)地球空間環(huán)境遙感任務(wù)。“鵲橋二號(hào)”搭載了2臺(tái)對(duì)地球空間遙感成像儀器，實(shí)現(xiàn)“嫦娥七號(hào)”任務(wù)主要科學(xué)目標(biāo)之一：月基對(duì)地球磁尾和等離子體層的觀測(cè)與研究，這也是國(guó)際上首次在月球軌道同時(shí)開展極紫外光學(xué)成像和能量中性原子成像。“鵲橋二號(hào)”中繼星于2024年3月20日成功發(fā)射。目前測(cè)試結(jié)果表明儀器健康狀態(tài)良好，設(shè)計(jì)工作壽命為8年，未來(lái)將源源不斷為科學(xué)家提供自主的高質(zhì)量遙感圖像數(shù)據(jù)，從整體視角揭示太陽(yáng)風(fēng)—磁層—電離層相互作用規(guī)律。

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結(jié)論

地球空間環(huán)境作為連接太陽(yáng)活動(dòng)與地球系統(tǒng)的關(guān)鍵區(qū)域，其動(dòng)態(tài)變化深刻影響著人類航天活動(dòng)、空間技術(shù)應(yīng)用及地面基礎(chǔ)設(shè)施安全。月基遙感憑借其獨(dú)特優(yōu)勢(shì)，成為推動(dòng)地球空間環(huán)境研究跨越式發(fā)展的重要方向。

月基對(duì)地遙感的核心價(jià)值在于其“全局視角”與“連續(xù)監(jiān)測(cè)”能力。未來(lái)，通過(guò)整合光學(xué)、中性原子及原位探測(cè)數(shù)據(jù)，有望構(gòu)建地球空間環(huán)境的四維動(dòng)態(tài)模型，揭示太陽(yáng)風(fēng)能量注入、磁層亞暴觸發(fā)及電離層響應(yīng)之間的完整鏈條?！谤o橋二號(hào)”等任務(wù)將推動(dòng)磁鞘–等離子體層–極光耦合過(guò)程的可視化研究，為空間天氣預(yù)報(bào)提供關(guān)鍵輸入。未來(lái)應(yīng)部署更加靈敏、視野范圍更大的光學(xué)和中性原子成像儀，觀測(cè)更微弱、更大范圍的地球空間輻射。此外，月球基地的建設(shè)和國(guó)際合作（如中歐SMILE任務(wù)、國(guó)際月球科研站等）將加速探測(cè)網(wǎng)絡(luò)的全球化布局，最終實(shí)現(xiàn)從“局部觀測(cè)”到“系統(tǒng)認(rèn)知”的跨越。

月基遙感以其不可替代的優(yōu)勢(shì)，正在開啟地球空間探測(cè)的新紀(jì)元。隨著探測(cè)技術(shù)的持續(xù)革新與國(guó)際合作的深化，月基平臺(tái)必將成為破解空間天氣奧秘、守護(hù)地球家園的“天眼”，為人類邁向深空奠定堅(jiān)實(shí)基礎(chǔ)。

本文作者：何飛

作者簡(jiǎn)介：何飛，中國(guó)科學(xué)院地質(zhì)與地球物理研究所、行星科學(xué)與前沿技術(shù)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，研究員，研究方向?yàn)榈厍蚺c行星光學(xué)遙感和行星物理。

文章來(lái) 源 ： 何飛.月基地球空間環(huán)境遙感進(jìn)展[J]. 科技導(dǎo)報(bào), 2026, 44(5): 32?38 .

本文有刪改，

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