科学通报 | 王赤院士团队综述日球层物理学研究前沿|中国科学院|地球|宇宙线起源|物理学|王赤|球层

王赤院士团队及其合作者在《科学通报》发表题为“日球层物理学研究前沿进展与展望”的评述文章，系统分析了日球层物理领域的国内外研究现状与发展态势，综述了近年来取得的重要科研成果及前沿进展，并围绕我国《国家空间科学中长期发展规划（2024-2050年）》提出的十大关键科学问题进行了探讨与展望。

日球层物理学是研究太阳及其对行星和行星际空间环境影响的基础学科，涵盖太阳物理学、空间物理学、空间天气学和等离子体物理学等多学科领域，是当代自然科学最活跃的前沿学科之一。六十余年的研究揭示了地球空间系统及其与太阳和行星际高度耦合的日地系统。尽管取得显著进展，诸多基本物理过程仍待深入认知。该学科不仅是孕育重大原创成果的重要阵地，更服务于航天、通信、导航等国家重大需求，是国际科技竞争的前沿热点之一。

1957年首颗人造卫星成功发射，标志着国际空间科学新纪元的开启[1]。国际日球层物理发展呈现五大趋势：从“日地系统”向“日球层系统”拓展；大视场成像与天地一体化观测提升宏观探测能力；星座探测技术增强中小尺度三维分辨能力；地球与行星空间环境比较研究深化对演化规律的认知；空间环境对航天活动、人类生存环境及行星宜居性影响日益受到重视。

我国日球层物理研究始于1958年，现已形成地基监测网络初具规模、天基探测体系逐步突破、学科基础持续夯实、原创成果不断涌现的发展态势。子午工程和陆续建设的太阳观测基地有力推动了地基观测发展；双星计划、羲和号、夸父一号、SMILE等卫星，以及月球与深空探测任务实现太阳与行星空间环境天基探测跨越；全国重点实验室建设与高校人才培养支撑学科发展；在太阳及太阳风、磁层、电离层及空间天气预报等方面取得重要进展[2]，日球层物理进入快速发展期。

得益于观测技术革新与理论模型深化，当前日球层物理研究已迈入一个多信使、全波段、全时域、高分辨、多尺度、多视角和高精度探测的新纪元[3,4]。在太阳对流区与活动区，以及太阳大气磁场测量、磁重联和波动等研究领域取得重要突破；帕克太阳探针的近太阳观测显著深化了对内日球层物理过程的理解，外日球层探测亦取得重大进展；卫星观测、数值模拟、理论分析与地面实验的协同推进，显著提升了对地球磁层[1,5]、电离层与中高层大气[6~8]以及月球和行星空间环境[9~13]的系统性科学认知。

日球层是一个紧密联系的整体，太阳与各天体和整个太阳系之间存在着密切的耦合。空间环境的剧烈变化和灾害性空间天气的发生和发展，涉及太阳活动-行星际空间扰动-地球空间暴的链锁变化过程，它伴随着一系列尚未认识的基本物理过程，是日球层物理探测和研究的主要内容。随着我国月球与深空探测任务的实施，月球与行星空间物理和空间环境日益成为我国日球层物理探测研究的热点方向。

面向国际科学前沿和国家战略需求，基于《国家空间科学中长期发展规划2024-2050》的战略部署，未来我国日球层物理探测研究亟待突破的关键科学问题包括：（1）太阳极区磁活动特征及磁周期的形成机制；（2）太阳风-磁层关键区域跨尺度过程和机理；（3）太阳风-星际介质相互作用的过程和机理；（4）太阳风扰动的三维传播特性及南向磁场的预测；（5）内磁层波粒相互作用及其对辐射带三维结构与演化的影响机制；（6）磁层-电离层-热层耦合过程及极区粒子动力学；（7）电离层/热层多尺度扰动结构的成因与变化规律；（8）地球活动-大气层-电离层的耦合过程与机理；（9）巨行星系统空间天气环境与物质能量循环机理；（10）空间天气对行星宜居性环境的影响和机理。

参考文献

1 Wu W, Wang C, Liu Y, et al. Frontier scientific questions in deep space exploration (in Chinese). Chin Sci Bull, 2023, 68: 606-627 [吴伟仁, 王赤, 刘洋, 等. 深空探测之前沿科学问题探析. 科学通报, 2023, 68: 606-627]

2 Yan Y H. Research advances in solar physics at National Astronomical Observatories of Chinese Academy of Sciences (in Chinese). Chin Sci Bull, 2021, 66(11): 1363-1384 [颜毅华. 中国科学院国家天文台太阳物理研究20年. 科学通报, 2021, 66(11): 1363-1384]

3 Liu R, Chen Y, Deng Y Y, et al. Recent research progress of solar physics in China (in Chinese). Chin Sci Bull, 2019, 64(19): 2011-2024 [刘睿, 陈耀, 邓元勇, 等. 中国太阳物理学研究进展. 科学通报, 2019, 64(19): 2011–2024]

4 Deng Y Y, Zhou G P, Dai S W, et al. Solar Polar-orbit Observatory (in Chinese). Chin Sci Bull, 2023, 68(4): 298-308 [邓元勇, 周桂萍, 代树武, 等. 太阳极轨天文台. 科学通报, 2023, 68(4): 298-308]

5 Wang C, Wang Y M, Tian H, et al. Strategic Study for the Development of Space Physics (in Chinese). Chin J Space Sci, 2023, 43(1): 9-42. [王赤，汪毓明，田晖，等. 空间物理学科发展战略研究. 空间科学学报, 2023, 43(1): 9-42]

6 Zhang J J, Wang W, Wang C, et al. First observation of ionospheric convection from the Jiamusi HF radar during a strong geomagnetic storm. Earth Space Sci, 2020, 7: e2019EA000911

7 Olsen N. The swarm satellite constellation application and research facility (SCARF) and swarm data products. Earth Planets Space, 2012, 65: 1189-200

8 Immel T, England S, Mende S, et al. The ionospheric connection explorer mission: mission goals and design. Space Sci Rev, 2017, 214(1): 12-47

9 Xu Z, Guo J, Wimmer-Schweingruber R, et al. First Solar Energetic Particles Measured on the Lunar Far-side. The Astrophysical Journal Letters, 2020, 902(2): L30.

10 Deca J, Hemingway D J, Divin A, et al. Simulating the reiner gamma swirl: the long-term effect of solar wind standoff. J Geophys. Res-Planets, 2020, 125: e2019JE006219

11 Yeo L, Han J, Wang X, et al. Laboratory simulation of solar wind interaction with lunar magnetic anomalies. J Geophys Res-Space Phys, 2022, 127(1): 1-8

12 Luo P X, Zhang X P, Fu S, et al. First measurements of low-energy cosmic rays on the surface of the lunar farside from Chang’E-4 mission. Sci Adv, 2022, 8: 1760

13 Dang T, Lei J H, Zhang B Z, et al. Oxygen ion escape at Venus associated with three-dimensional Kelvin-Helmholtz instability. Geophys Res Lett, 2022, 49(6): e2021GL096961

文章信息

王赤*, 汪毓明, 李晖, 田晖, 张清和, 王宇贤. 日球层物理学研究前沿进展与展望. 科学通报, 2026, 71(18): 4098-4114

https://doi.org/10.1360/CSB-2025-5161

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