一文看懂美國未來十年太陽和空間物理“路線圖”

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原文發表于《科技導報》2025年第5期《美國2024太陽和空間物理十年調查解讀和對中國的啟示》

2024年12月5日，美國國家科學院發布了新的十年調查報告《太陽和空間物理探索的未來十年：探索和保護人類的太空家園（2024—2033年）》，引起了國際空間科學領域的廣泛關注。《科技導報》邀請王赤院士團隊對這一報告進行了解讀，分析其發展愿景、科學主題和擬解決的科學問題、科學探測任務等，并探討了其對中國相關領域發展的啟發與借鑒。現摘編此文，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60年代以來，美國國家科學院（NAS）通過其下設的空間研究委員會（SSB），每10年發布一次“十年調查”發展戰略規劃報告，反映了空間科學界的最重要科學問題，并提出了優先實施的科學探索任務清單。這些報告對美國國家航空航天局（NASA）制定未來空間科學衛星計劃和遴選項目起到了至關重要的作用。

2024版十年調查報告《太陽和空間物理探索的未來十年：探索和保護人類的太空家園（2024—2033年）》（簡稱2024太陽和空間物理十年調查），是繼2003年和2013年之后第3個中長期戰略規劃報告。SSB成立了專門的指導委員會來牽頭組織編制工作，下設5個研究組。該報告編制工作歷時2年，約80名科學家、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正式發布。

1 規劃分析解讀

1.1 愿景

報告提出兩大愿景（表1）：

• 科學探索：聚焦探索和發現宇宙奧秘；

• 空間天氣應用：致力于拓展和保護人類太空家園。

表1 2024太陽和空間物理十年調查愿景及使命

1.2 未來10年科學主題

在兩大愿景下，按科學探索和空間天氣兩個維度提出6個主題。

表2 2024太陽和空間物理十年調查科學探索主題及其指導性問題

• 科學探索主題：包括“太陽-地球-太空：相互聯系的人類家園”、“太空實驗室：認知基礎”、“新環境：探索宇宙鄰域及以遠”3個主題，每個主題下凝練了3個科學問題，指導未來研究重點方向（表2）。

• 空間天氣主題：包含“層次化巨系統：空間天氣的驅動因素”、“物理系統的空間天氣響應”、“空間天氣對基礎設施和人類健康的影響”3個主題，確定了重點研究領域（表3）和未來預期產出（表4）。

表3 2024太陽和空間物理十年調查中的空間天氣主題及研究領域

表4 空間天氣服務未來10年預期產出

1.3 戰略發展路線圖

為了實現太陽和空間物理的2大愿景，2024太陽和空間物理十年調查提出了3個研究發展戰略：

1.3.1 建立綜合性日球系統實驗室（HSL）

HSL旨在將太陽和空間物理領域所有的任務、項目和計劃產生的科學數據進行統一管理，這些數據是拓展太陽和空間物理前沿的關鍵和基礎。HSL囊括了本領域所有可以產生不同結構科學數據的天基/地基衛星和地面大科學裝置，包括以下內容：

NASA的2個新的旗艦任務：

• “聯系號”（Links）：地球空間多區域、多尺度聯系星座任務，旨在解決全球太陽風能量進入磁層日側及后續能量傳輸等問題。

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

NSF的3個大中型地面基礎設施：

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

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

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

此外，還包括旗艦級的領域科學建模計劃、跨部門的空間天氣研究和業務運行計劃以及若干日球層物理探索者計劃任務。

1.3.2 DRIVE+：升級的研究和技術計劃

DRIVE+計劃是在2013年版太陽和空間物理十年調查的DRIVE計劃基礎上的升級，主要包括四方面內容：

• 引進和培養多樣化、跨學科的研究團隊；

• 倡導機構間的協調與合作，促進數據共享和工具整合；

• 發展先進的研究工具，如超算和人工智能；

• 鼓勵新技術研發，支持未來的科學任務和探測。

1.3.3 為未來10年乃至更長遠的時間跨度做好充分準備

通過布局小型飛行驗證項目、關鍵技術攻關和預先研究項目，為未來任務提供成熟的技術儲備。同時加強機構間合作和國際合作伙伴關系，推動未來發展。

2 對中國的啟示與建議

2.1 加強多維度交叉融合

2024太陽和空間物理十年調查采用了全面和均衡的研究戰略，充分體現出學科、領域和應用的交叉融合：

• 推動太陽物理與空間物理的學科融合；

• 強調科學研究與空間天氣應用的融合；

• 加強天基與地基的融合；

• 加強科學數據的融合，通過引入HSL的概念統籌管理數據。

中國已經實施了一系列太陽和空間物理領域的探測任務和業務衛星項目，建設了子午工程一期和二期，初步實現了天地基、科學與應用等結合；但還需要進一步統籌各方資源，優化頂層設計，加強學科交叉、天地配合以及科學與應用的融合。

2.2 長期規劃、持續支持、前瞻部署

2024太陽和空間物理十年調查在未來10年內將啟動實施多個旗艦型任務和中小型任務以及地面大型科學裝置。這些任務的實施都經過了多年的科學目標凝練、科學方案深化和關鍵技術的攻關驗證。中國也需要進一步加強預先研究的部署和支持，降低未來空間科學任務工程立項和研制的風險，從體制機制上保證空間科學的長期健康發展。

2.3 夯實基礎、統籌協調、全面發展

為了實現太陽和空間物理領域的科學目標，2024版太陽和空間物理十年調查通過實施DRIVE+計劃強調基礎研究、理論建模、技術開發和人才培養等方面的重要性。中國也需要持續加強太陽和空間物理的學科建設，加強各優勢單位和優勢領域的聯合，加強青年人才的引進和培養，特別是在重大工程任務中培養領軍人才。同時，加強空間環境模擬和測試定標等基礎設施建設，突破先進空間探測有效載荷的關鍵技術。

3 結語

美國2024太陽和空間物理十年調查的發布，充分表明了太陽物理和空間領域不僅是基礎研究的前沿，而且對人類的生存發展具有重要意義。中國于2024年10月15日發布了《國家空間科學中長期發展規劃（2024—2050年）》，明確了在太陽和空間物理領域的優先發展方向和擬解決的重大科學問題。未來，中國需要進一步加強天地基任務的配合和數據的融合，加強前瞻部署和預先研究，進行長期穩定支持，在人才培養、模型工具研發、基礎設施建設等方面做好全面支撐，構建良好的學術生態，促進成果的應用和服務，一步一個腳印把規劃描繪的愿景變為現實。

來源：《科技導報》

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