局部觀測到系統(tǒng)認(rèn)知：月基遙感打開地球空間探測新窗口

原文發(fā)表于《科技導(dǎo)報》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)境是人類航天活動和空間技術(shù)應(yīng)用的重要區(qū)域，對其進(jìn)行持續(xù)監(jiān)測和研究具有重要意義。《科技導(dǎo)報》邀請中國科學(xué)院地質(zhì)與地球物理研究所、行星科學(xué)與前沿技術(shù)重點實驗室何飛研究員撰寫文章，綜述了月基對地球空間環(huán)境遙感的研究進(jìn)展，以及面臨的挑戰(zhàn)和未來發(fā)展方向。

地球空間環(huán)境是指地球表面以上直至太陽活動影響所及的空間區(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)境的變化會對宇航員生命、衛(wèi)星運(yùn)行、通信導(dǎo)航、電力系統(tǒng)等產(chǎn)生重要影響，因此對其進(jìn)行持續(xù)監(jiān)測和研究具有重要科學(xué)與應(yīng)用意義。太陽風(fēng)與地球磁場相互作用形成了磁層空間，磁層空間不同區(qū)域會產(chǎn)生連鎖響應(yīng)，認(rèn)識這些耦合過程中全局/區(qū)域的物質(zhì)和能量輸運(yùn)規(guī)律對理解和預(yù)測地球空間天氣與環(huán)境具有極其重要的意義，同時也是一項重要的挑戰(zhàn)。

人類自進(jìn)入空間時代以來，從未停止過空間探測的步伐。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)境探測中。地基觀測站可以提供高精度的局部觀測數(shù)據(jù)，但受觀測波段、地理位置和天氣條件等諸多限制，無法同時實現(xiàn)全球覆蓋。因此，開發(fā)和利用更穩(wěn)定連續(xù)的遙感平臺是促進(jìn)地球空間環(huán)境探測與研究跨越發(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，為對地觀測提供了理想的平臺。表1對比了在地基、天基和月基平臺開展地球空間環(huán)境遙感的優(yōu)劣勢。

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

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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)問題。

• 在30.4 nm或X射線波段對地球磁鞘進(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），可以觀測地球磁層大尺度對流特征，揭示地球物質(zhì)分布的動態(tài)變化規(guī)律。

• 地球兩極的橢圓狀極光區(qū)是太陽風(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)紫外波段對極光全景成像（極光成像），這將突破衛(wèi)星就位觀測的局限性。

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，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”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，雖然有大量探測器飛向月球，但鮮有探測器攜帶對地球空間環(huán)境遙感的儀器。

2008年，日本發(fā)射了“月亮女神號”（Kaguya）月球探測器。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。

中國探月工程“嫦娥三號”任務(wù)著陸器搭載了一臺極紫外相機(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）。“嫦娥三號”極紫外相機(jī)首次實現(xiàn)了從側(cè)面對地球等離子體層的完整成像，如圖1所示。基于“嫦娥三號”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)白色實心圓代表太陽方向。白色虛線代表地磁軸和徑向距離分別為2、4、6個地球半徑的偶極磁力線投影。

圖1 “嫦娥三號”極紫外相機(jī)于2014年4月21日世界時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的能量和運(yùn)動方向，通過中性原子成像儀對不同方向的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月球探測器曾搭載了一臺能量中性原子分析儀開展環(huán)月軌道探測。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)了太陽風(fēng)與月球相互作用形成的迷你磁層。2018年，中國探月工程“嫦娥四號”任務(wù)的“玉兔號”月球車上，搭載了一臺由中國和瑞典聯(lián)合研制的先進(jìn)小型中性原子分析儀，科學(xué)家提出了太陽風(fēng)與月球磁異常相互作用的新圖像，提高了科學(xué)家對太陽風(fēng)與月球磁異常相互作用的認(rèn)識，揭示了月面ENA能量隨太陽風(fēng)入射能量和角度的變化關(guān)系，進(jìn)一步加深了對太陽風(fēng)?月面相互作用機(jī)制的理解，同時也為太空風(fēng)化過程和太陽風(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，因此月基觀測可以實現(xiàn)對地球空間環(huán)境的長期、穩(wěn)定、連續(xù)觀測。月球約2/3時間位于地球磁層外，可以提供地球空間環(huán)境的外部全景視角，彌補(bǔ)傳統(tǒng)觀測手段的不足。

月面平臺包括著陸在月球表面的著陸器和巡視器，以及未來可能建設(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（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)動特性，半個月處于白天，半個月處于黑夜，因此，對月表工作的設(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）。總的來說，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，基于月面平臺遙感應(yīng)用將越來越廣泛。

月球軌道平臺即環(huán)月衛(wèi)星，軌道高度可根據(jù)需求設(shè)計，運(yùn)行環(huán)境比月面良好和穩(wěn)定，相比月面平臺來說更容易實現(xiàn)，因此也是目前使用最多的平臺。因此，在月球軌道平臺上對地球空間環(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，可以實現(xiàn)對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)星可以長時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”任務(wù)“鵲橋二號”中繼星。

“嫦娥七號”任務(wù)“鵲橋二號”中繼星的工程任務(wù)是接替“鵲橋一號”為“嫦娥六號”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”將調(diào)轉(zhuǎn)指向，開展對地球空間環(huán)境遙感任務(wù)。“鵲橋二號”搭載了2臺對地球空間遙感成像儀器，實現(xiàn)“嫦娥七號”任務(wù)主要科學(xué)目標(biāo)之一：月基對地球磁尾和等離子體層的觀測與研究，這也是國際上首次在月球軌道同時開展極紫外光學(xué)成像和能量中性原子成像。“鵲橋二號”中繼星于2024年3月20日成功發(fā)射。目前測試結(jié)果表明儀器健康狀態(tài)良好，設(shè)計工作壽命為8年，未來將源源不斷為科學(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)境作為連接太陽活動與地球系統(tǒng)的關(guān)鍵區(qū)域，其動態(tài)變化深刻影響著人類航天活動、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，成為推動地球空間環(huán)境研究跨越式發(fā)展的重要方向。

月基對地遙感的核心價值在于其“全局視角”與“連續(xù)監(jiān)測”能力。未來，通過整合光學(xué)、中性原子及原位探測數(shù)據(jù)，有望構(gòu)建地球空間環(huán)境的四維動態(tài)模型，揭示太陽風(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。“鵲橋二號”等任務(wù)將推動磁鞘–等離子體層–極光耦合過程的可視化研究，為空間天氣預(yù)報提供關(guān)鍵輸入。未來應(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)和國際合作（如中歐SMILE任務(wù)、國際月球科研站等）將加速探測網(wǎng)絡(luò)的全球化布局，最終實現(xiàn)從“局部觀測”到“系統(tǒng)認(rèn)知”的跨越。

月基遙感以其不可替代的優(yōu)勢，正在開啟地球空間探測的新紀(jì)元。隨著探測技術(shù)的持續(xù)革新與國際合作的深化，月基平臺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實基礎(chǔ)。

本文作者：何飛

作者簡介：何飛，中國科學(xué)院地質(zhì)與地球物理研究所、行星科學(xué)與前沿技術(shù)重點實驗室，研究員，研究方向為地球與行星光學(xué)遙感和行星物理。

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

本文有刪改，

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