局部觀測到系統(tǒng)認知：月基遙感打開地球空間探測新窗口

原文發(fā)表于《科技導報》2026 年第5 期 《 月基地球空間環(huán)境遙感進展 》

地球空間環(huán)境是人類航天活動和空間技術應用的重要區(qū)域，對其進行持續(xù)監(jiān)測和研究具有重要意義。《科技導報》邀請中國科學院地質(zhì)與地球物理研究所、行星科學與前沿技術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應用的重要區(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)星運行、通信導航、電力系統(tǒng)等產(chǎn)生重要影響，因此對其進行持續(xù)監(jiān)測和研究具有重要科學與應用意義。太陽風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，認識這些耦合過程中全局/區(qū)域的物質(zhì)和能量輸運規(guī)律對理解和預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逐漸應用到空間環(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)境光學成像進展

地球空間的光學輻射是開展地球空間環(huán)境光學遙感的前提。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輻射。

不同波段進行不同方式的光學成像可用于解決不同的科學問題。

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

• 在30.4 nm波段對地球等離子體層進行全景成像（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)是太陽風和磁層高能粒子沿磁力線進入地球空間的投影，在X射線?極紫外?遠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”任務著陸器搭載了一臺極紫外相機，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)境中性原子成像進展

地球空間除了光學輻射外，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動方向，通過中性原子成像儀對不同方向的ENA進行遙感，即可重構磁鞘、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)合研制的先進小型中性原子分析儀，科學家提出了太陽風與月球磁異常相互作用的新圖像，提高了科學家對太陽風與月球磁異常相互作用的認識，揭示了月面ENA能量隨太陽風入射能量和角度的變化關系，進一步加深了對太陽風?月面相互作用機制的理解，同時也為太空風化過程和太陽風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）達到最大值約 120℃，之后開始緩慢下降，且在進入月夜后急劇降溫。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、機械關節(jié)和光學儀器上，導致效率下降或故障（如阿波羅任務中相機受污染）。總的來說，雖然月面環(huán)境比較惡劣，但隨著技術的進步，如空間核能技術、環(huán)境控制技術、智能技術的應用，基于月面平臺遙感應用將越來越廣泛。

月球軌道平臺即環(huán)月衛(wèi)星，軌道高度可根據(jù)需求設計，運行環(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的位置，進而可以較穩(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“鵲橋二號”中繼星。

“嫦娥七號”任務“鵲橋二號”中繼星的工程任務是接替“鵲橋一號”為“嫦娥六號”及后續(xù)探月任務提供中繼通信保障。在中繼任務的間隙，“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。“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”任務主要科學目標之一：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。目前測試結果表明儀器健康狀態(tài)良好，設計工作壽命為8年，未來將源源不斷為科學家提供自主的高質(zhì)量遙感圖像數(shù)據(jù)，從整體視角揭示太陽風—磁層—電離層相互作用規(guī)律。

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結論

地球空間環(huán)境作為連接太陽活動與地球系統(tǒng)的關鍵區(qū)域，其動態(tài)變化深刻影響著人類航天活動、空間技術應用及地面基礎設施安全。月基遙感憑借其獨特優(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、中性原子及原位探測數(shù)據(jù)，有望構建地球空間環(huán)境的四維動態(tài)模型，揭示太陽風能量注入、磁層亞暴觸發(fā)及電離層響應之間的完整鏈條。“鵲橋二號”等任務將推動磁鞘–等離子體層–極光耦合過程的可視化研究，為空間天氣預報提供關鍵輸入。未來應部署更加靈敏、視野范圍更大的光學和中性原子成像儀，觀測更微弱、更大范圍的地球空間輻射。此外，月球基地的建設和國際合作（如中歐SMILE任務、國際月球科研站等）將加速探測網(wǎng)絡的全球化布局，最終實現(xiàn)從“局部觀測”到“系統(tǒng)認知”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元。隨著探測技術的持續(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、守護地球家園的“天眼”，為人類邁向深空奠定堅實基礎。

本文作者：何飛

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

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

本文有刪改，

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