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《科技導報》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，美國國家科學院發(fā)布了新的十年調(diào)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(fā)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(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(fā)布一次“十年調(diào)查”發(fā)展戰(zhàn)略規(guī)劃報告，反映了空間科學界的最重要科學問題，并提出了優(yōu)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(wèi)星計劃和遴選項目起到了至關重要的作用。

2024版十年調(diào)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(diào)查），是繼2003年和2013年之后第3個中長期戰(zhàn)略規(guī)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(fā)布。

1 規(guī)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(fā)現(xiàn)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(diào)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(diào)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(lián)系的人類家園”、“太空實驗室：認知基礎”、“新環(huán)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(tǒng)：空間天氣的驅(qū)動因素”、“物理系統(tǒng)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(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域

表4 空間天氣服務未來10年預期產(chǎn)出

1.3 戰(zhàn)略發(fā)展路線圖

為了實現(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個研究發(fā)展戰(zhàn)略：

1.3.1 建立綜合性日球系統(tǒng)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(chǎn)生的科學數(shù)據(jù)進行統(tǒng)一管理，這些數(shù)據(jù)是拓展太陽和空間物理前沿的關鍵和基礎。HSL囊括了本領域所有可以產(chǎn)生不同結構科學數(shù)據(jù)的天基/地基衛(wèi)星和地面大科學裝置，包括以下內(nèi)容：

NASA的2個新的旗艦任務：

• “聯(lián)系號”（Links）：地球空間多區(qū)域、多尺度聯(lián)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(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(jiān)測網(wǎng)（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(tài)參數(shù)。

• 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(yè)務運行計劃以及若干日球?qū)游锢硖剿髡哂媱澣蝿铡?/p>

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(diào)查的DRIVE計劃基礎上的升級，主要包括四方面內(nèi)容：

• 引進和培養(yǎng)多樣化、跨學科的研究團隊；

• 倡導機構間的協(xié)調(diào)與合作，促進數(shù)據(jù)共享和工具整合；

• 發(fā)展先進的研究工具，如超算和人工智能；

• 鼓勵新技術研發(fā)，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(fā)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(diào)查采用了全面和均衡的研究戰(zhàn)略，充分體現(xiàn)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(diào)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(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)實施了一系列太陽和空間物理領域的探測任務和業(yè)務衛(wèi)星項目，建設了子午工程一期和二期，初步實現(xiàn)了天地基、科學與應用等結合；但還需要進一步統(tǒng)籌各方資源，優(yōu)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(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(jīng)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(fā)展。

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

為了實現(xiàn)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(diào)查通過實施DRIVE+計劃強調(diào)基礎研究、理論建模、技術開發(fā)和人才培養(yǎng)等方面的重要性。中國也需要持續(xù)加強太陽和空間物理的學科建設，加強各優(yōu)勢單位和優(yōu)勢領域的聯(lián)合，加強青年人才的引進和培養(yǎng)，特別是在重大工程任務中培養(yǎng)領軍人才。同時，加強空間環(huán)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(diào)查的發(fā)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(fā)展具有重要意義。中國于2024年10月15日發(fā)布了《國家空間科學中長期發(fā)展規(guī)劃（2024—2050年）》，明確了在太陽和空間物理領域的優(yōu)先發(fā)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(shù)據(jù)的融合，加強前瞻部署和預先研究，進行長期穩(wěn)定支持，在人才培養(yǎng)、模型工具研發(fā)、基礎設施建設等方面做好全面支撐，構建良好的學術生態(tài)，促進成果的應用和服務，一步一個腳印把規(guī)劃描繪的愿景變?yōu)楝F(xiàn)實。

來源：《科技導報》

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