摘要

美国国家科学院于2011年成立了一个调查委员会负责制定太阳和空间物理研究的综合战略，这更新和扩展了首个太阳和空间物理十年规划（2003年）。最新的十年规划研究实施了2008年美国国会对NASA下达的关于太阳和空间物理学领域的指导建议。新的调查广泛地探讨了该学科的发展状况，确定了该领域最重要的开放科学问题，并提出了用于解决这些科学问题的研究或测量方法，以便在2013-2022年期间推进其发展进程。在这个领域的研究问题包括：

• 太阳及其日球层的动力学行为；

• 地球和其它太阳系主体的空间环境性质；

• 太阳系等离子体与星际介质之间的多尺度相互作用；

• 整个太阳系的能量传输及其对地球和其它太阳系主体的影响。

我们使用观测、理论、实验室研究和数值模型对太阳和空间等离子体过程进行研究，这为理解这种互连系统提供了良好前景，为民用和军用太空系统的操作提供了预测支持。我们在这里描述了2013-2022年十年规划中提出的建议和战略计划。

 

 

引言

美国的天体物理学界在美国国家科学院的支持下拟定“十年规划”要追溯到20世纪60年代（参见国家科学院2015年）。近年来，不仅天体物理学，行星科学、地球科学和空间物理学的每个学科领域都进行了类似的评估，以了解每个领域的研究进展以及为取得重大进展而应该开展的计划和项目。美国国家航空航天局（NASA）每10年进行一次这种研究，其具体要求被写入2008年美国国会颁布的法案中。然而，上述每一个科学学科都倾向于扩大对各领域的考察，包括其它这样的联邦机构，如国家科学基金会（National Science Foundation，NSF）、国家海洋和大气管理局（National Oceanic and Atmospheric Administration，NOAA）、能源部（Department of Energy，DOE）和国防部（Department of Defense，DoD），这些机构认为该十年规划无论从哪种层面来看都是必要的。十年规划在美国国家研究委员会的领导下进行，而美国国家研究委员会是美国国家科学、工程和医学院（National Academies of Sciences, Engineering, and Medicine，NASEM）的执行部门。

太阳和空间物理学界在2001–2002年期间进行了第一个十年规划，该报告于2003年出版。第二次，即最近的太阳和空间物理十年规划是在2010年由NASEM启动，经过18个月的密集调研（国家研究委员会，2013年）才得以出版。本文介绍了十年规划过程的一些突出特点，并阐述了其努力的目标；简要介绍了前十年的研究进展–特别关注等离子体物理问题，然后描述了对2013-2022年调查的建议。本文最后给出了一个进展评估和十年目标的实施前景。

 

十年规划过程

美国总统执行办公室的科学和技术政策办公室（Office of Science and Technology Policy，OSTP）长期以来一直赞同开展国家空间计划的十年规划。有人认为 “十年规划”提供了一个专业人士在科学突破问题上达成共识的文件，以促进先进的研究和保持学科竞争力。人们普遍认识到，这些调查为优先发展项目的确定，也为各联邦机构（管理和预算办公室（Office of Management and Budget，OMB）和美国国会）制定科学目标，提供了重要的信息来源。

在制定调查方法时，OSTP建议在确定要解决的关键科学问题的框架下来进行讨论。显然，OSTP建议每次调查的重点应放在做什么，而不是在所要建造的航天器或地面设施上；调查要针对能对既定科学领域产生影响的基本问题提供广泛且深入的论证。OSTP还敦促十年规划能在跨学科研究和相关调查领域提出建议。

正如太阳和空间物理学（solar and space physics，SSP）团队在2013-2022年十年规划中所指出的，调查的目标是了解科学概况，并评估当前该领域的发展状况，关键目标是要找出最具有挑战性的科学问题；调查的核心是确定出在十年内具有最高优先级的研究目标，这不仅是为NASA，而且也是为NSF、NOAA、美国空军和其它可能的赞助机构提供参考。

2013-2022年十年规划进程开始于2010年秋季，NASA正式要求NASEM开展这项研究，通过协商完成了任务说明和章程工作。科学家们确定出，研究应在国家范围内（在某些方面是国际范围）展开，并应考虑NASA、NSF、NOAA和DoD在太阳和空间物理学方面的投资。该规划任命了研究主席（D N Baker，美国科罗拉多州）、副主席（T Zurbuchen，美国密歇根州）。此后，该规划又任命了16名指导委员会成员，代表着太阳、行星际、磁层、电离层和大气科学的所有领域。在指导委员会下设置了三个学科小组，包括（1）太阳和日球物理学，（2）太阳风-磁层相互作用，和（3）大气-电离层-磁层相互作用。为满足研究中对交叉能力的需求设置了5个通用工作组，包括（1）理论、建模和数据开发，（2）新型轨道和亚轨道观测平台，（3）创新的先进技术和数据系统，（4）如何开展工作的问题研究，（5）教育和劳动力发展主题。

在指导委员会的领导下，工作组在18个月内收到并评估了约300份白皮书。这些白皮书代表了新的想法和任务概念，涵盖了从小型研究工作到主要的航天器星座计划。为此，美国各地举行了数十个会议和研讨会（有时还举行了在美国国外的会议）。针对价值超出几亿美元的任务中的好想法，工作组对其进行进行了成本和技术评估（cost and technical evaluation，CATE）。2012年8月，NASEM推出了2013-2022年的十年规划（见图1）。在短短几个星期的时间内，它就被送到OMB、OSTP、NASA、NSF、NOAA、DOD和国会工作人员。

 

关于太阳–地球连接的最新进展

自2003年的十年规划（国家研究委员会，2003年）出版以来，人们在理解日地系统方面取得了巨大进展。大部分的进展是通过成功发射NASA航天器任务取得的。例如， NASA LWS（Living With a Star，LWS）飞行计划通过在2010年2月发射太阳动力观测台（Solar Dynamics Observatory，SDO）启动，已经返回了关于太阳日冕和太阳内部性质的宝贵观察结果。SDO成功发射之后，紧随其后的是由NASA小型探索者（SMEX）计划支持的界面域成像光谱仪（Interface Region Imaging Spectrograph，IRIS）任务，该任务于2013年6月实施。如图2所示，IRIS被放置在低地球轨道中，提供位于太阳光球和太阳日冕之间过渡区域中的等离子体的新数据。

对太阳上的等离子体进行地面观测的未来很明朗。一个位于夏威夷毛伊岛上的哈雷阿卡拉火山顶部的新望远镜DKIST（Daniel K Inouye Solar Telescope，DKIST）正在建设中（见图3）。这种4米级的离轴望远镜将提供具有精细空间分辨率的太阳表面特征，并且将强有力地补充由NASA航天器所进行的太阳天基观测。国家太阳观测台（NSO）为NSF运行DKIST，预期能提供具有30km的空间分辨率的太阳表面特征。

 

图1. 2013-2022年十年规划的封面。插图，从顶部：太阳动力观测台，太阳全盘多波长远紫外成像（NASA/ GSFC / AIA）；对日冕质量喷射和地球磁层的描绘（Steele Hill / NASA）; 在雷索卢特湾的高级模块化不相干散射雷达（Craig Heinselman，EISCAT）；哈勃太空望远镜观察到的土星南极区域及其极光的紫外图像（NASA / ESA /波士顿大学/ STScI）；日球层区域的描述（NASA）；猎户座LL星周围的震荡（NASA/ESA/STScI / AURA）。背景图像：在国际空间站对美国中西部和北欧极光的俯视图（NASA）

长期进行太阳原位观测的平台之一是NASA的Solar Probe Plus（SPP）任务，准备在2018年7月发射。SPP的仪器如图4所示，图中，SPP将在距离太阳“表面”（光球）600万公里的区域内进行飞行，并将在其几年的寿命内多次通过太阳日冕。通过对局部等离子体、磁场和等离子体波的测量，SPP应该对太阳风是如何加速的以及高能粒子在百万开尔文温度的太阳大气中是如何产生的等问题提供有价值的参考资料。SPP是首次飞行到太阳等离子体并且从亚音速加速到高超音速区域的任务。

对太阳-地球系统中的地球末端的研究在过去十年取得巨大进展。图5提供了地球空间环境的原理示意图。如图所示，通过地球强偶极磁场的超音速超阿尔芬太阳风流，导致了等离子体的物理相互作用。快速太阳风流动意味着弓激波在地球障碍物的前面形成。冲击和减速的太阳风与其嵌入的行星际磁场（interplanetary magnetic field，IMF）可以通过光面重联与地磁场进行相互作用。IMF和地磁场的这种互连可以导致强发电机行为，并且可以将大量的能量传递到地球周围的“磁层”腔中。该能量可以暂时存储在磁层的细长磁尾中，然后通过被称为磁层“亚暴”释放过程中的磁重联而突然释放。这种亚暴可在高度耦合的磁层内部和电离层中传输并激发大量的等离子体粒子。磁层的最内部包括了范艾伦辐射带，陷入范艾伦区的电子和质子可以达到相对论和极端相对论的能量。

 

图2. NASA的界面域成像光谱仪（interface region imaging spectrograph，IRIS）小型探测器任务的概念图，于2013年6月27日发射到太空

 

图3. 建于夏威夷哈雷阿卡拉火山顶部的国家太阳观测台（National Solar Observatory，NSO）Daniel K Inouye太阳望远镜（DKIST）的概念图

 

尽管范艾伦带的发现是空间时代的首个主要科学成就（Van Allen等人，1958年），但仍然存在关于范艾伦辐射带的颗粒如何加速、运输和损失的许多奥秘。因此，2012年8月，NASA将双航天器辐射带风暴探测器（radiation belt storm probe，RBSP）任务发射到椭圆地球轨道。 2012年11月，NASA将RBSP任务重新命名为“范艾伦探测器”任务。在成功发射RBSP航天器之后的几天，科学家们发现，在某些情况下，真的存在有三个范艾伦辐射区，而不是Van Allen和同事最初报告的两个范艾伦辐射区（见图6）。

极其敏感和能力很强的RBSP（范艾伦探头）仪器的探测结果表明，在强作用力条件下，地球磁层中的相对论电子可以在非常短（数分钟到数小时）的时间尺度上进行加速。但也有迹象显示这些兆电子伏特（MeV）电子可以瞬间从磁层中消失。在RBSP之前，研究人员还不知道粒子在辐射带中是如何有效地加速和损失能量的。

图6中所显示的数据来自范艾伦探测器航天器上的REPT仪器。正如所绘制的数据所示，在主要加速度事件中所产生的电子可以从较大的径向距离（‘L *’值）向内“扩散”，但是它们似乎不会比r = 2.8R_E（地球半径）更接近地球。这个特征表明，地球磁层存在一个“不可渗透的障碍”，阻断兆电子伏特电子向内传输。因此，虽然电子可以有效地加速到巨大的能量，并可以在r ~ 6R_E到r~3R_E的地心距离的径向范围内自由运输，电子仍会遇到一个几乎不变的障碍，使他们的行经路径无法到达r~2.8R_E以内。

 

图4. 太阳探测器的关键要素加上目前正在开发的将于2018年7月发射的NASA任务。该任务将飞往距离太阳表面600万公里以内的地方

 

图5. 驱动磁层关键过程的原理示意图。我们为了充分理解复杂、耦合和动态的磁层，要结合成像和原位测量手段了解磁层中的全局和中尺度结构是如何响应太阳风力的变化，以及磁层、磁层内外边界处的等离子体和过程相互作用

极端相对论电子传输的极其尖锐的边界最近已经被仔细研究。新研究结果表明，相对论电子的向内传输相当于由强大的海军信号传送器（用于海底通信）所产生的人造极低频（very low frequency，VLF）无线电波的向外传输。图7证明了VLF“气泡”的向外范围相当于向内不可穿透的障碍物的范围。

也许在天体物理系统中运行的最普遍和基本的等离子体物理过程是磁重联（Burch和Drake，2009年）。如上面的图5所示，重联的机制是磁化等离子体自身重新配置，并且是将存储的磁能转换成加热等离子体的主要机制。最终，重联与诸如太阳耀斑和太阳日冕质量喷射以及地球磁层中强大的极光显示的现象相关。

 

图6. 范艾伦探测器装载的相对论电子质子望远镜（relativistic electron–proton telescope，REPT）仪器所记录的10个月期间内的电子通量图，显示了在显著突发的时间尺度上所发生的多个MeV高能电子的增加和损失。该图展示了来自范艾伦带横截面的颗粒数据（左图）。电子通量以粒子/平方厘米/秒为测量单位。范艾伦探测数据显示，范艾伦区域通常由三个独立的带组成，而不是文献中最初所描述的两个带

 

图7. 极端相对论电子向内传输的“不能穿透的障碍”示意图，以及这种障碍与由强大的地基信号传送器产生的人造极低频（VLF）波之间的关系

 

理解重联是如何在无碰撞等离子体中工作是太阳物理学和磁层研究中长期存在的问题之一。图8（a）中的示意图给出磁场线（如黑色箭头的虚线所示）是如何被破坏的，然后又是如何在非常有限的空间中重联起来。由于磁场线类似于“弹弓”形状，等离子体可在这种重联位置（参见图5）加速到其大部分为局部阿尔芬速度的状态。该喷射动作可以在如图8（a）中的浅蓝色框所示的相当宽的区域中发生。这被称为“离子扩散”区域，并且是等离子体离子退磁的地方，也是它们有序的回旋运动断开的地方。然而，近年来研究表明，磁通管的实际断裂肯定涉及到对电子陀螺仪的影响（由图8（a）中粉红色框所示）。这是所谓的“电子扩散”区域，该块区域在典型磁层等离子体中只有几十公里大小。如图8（a）所示，为了探测在电子陀螺仪处的重联，一个航天器群必须离开有序和规定的编队飞行几十公里。

2015年3月，NASA向地球轨道发射了磁层多尺度研究（Magnetospheric Multiscale，MMS）任务。这个航天器任务由四颗相同的卫星组成，具有一套完整的粒子实验、波实验和场实验设备。如图8（b）的概念图所示，四个卫星可以在四个面排布进行编队飞行，以便包围实际的重联“中线”，并可在所需的电子尺度（空间和时间上）精确地检测磁重联。来自MMS的数据能够提供对磁重联现象的深入了解，并且对这种关键的等离子体过程进行了新的阐述。美国航天局所发射的MMS是2003年“十年”规划（国家研究委员会，2003年）的最高优先级事项。

 

图8. （a）磁重联场、流动和扩散区域的示意图。四航天器磁层多尺度（magnetospheric multiscale，MMS）任务旨在解决关于磁重联的物理学基本问题。在磁顶层和磁尾层电流层中传输的MMS航天器的名义结构是按照关键部件的物理尺度标定给出的。（b）在地球磁层的磁重联区附近编队飞行的MMS航天器的概念图

 

为了完成对空间物理研究最新进展的总结，有必要指出，太阳-地球系统最少研究的部分之一就是距离我们头顶仅几百公里的电离层。这里是关键区域，在这里地球的中性大气消失，地球的磁层区域起主要作用。最近的研究表明，电离层以上受到的太阳影响和电离层以下受到的地面天气的影响都会对电离层产生巨大影响。

图9中的原理示意图表示了研究太阳影响和气象驱动电离层系统的可能性。这项研究的目的是测量跨越电离层域的组成、温度和风。这将使我们更深入地了解等离子体上升流、平流和热膨胀在确定电离层的纬度和时间演化中的相对作用。一个被称为ICON（电离层连接探测器）的NASA小型探测器（small explorer，SMEX）目前正在开发中，将于2017年发射升空。该计划应采取一些关键的措施对电离层空间和时间上的受到的影响进行评估（如图9所示）。

另一个发展中的NASA任务被称为全尺度观察边缘和圆盘（global-scale observations of the limb and disk，GOLD），它将提供一种在地球同步轨道通信卫星上飞行的地球观测仪器。GOLD的实施方法如图10所示，图中央表示在GOLD核心部位的关键紫外光谱仪仪器。这将安装在操作通信平台上并提供连续的地球观察。GEO航天器在图10的左上方给出。如图的下部所示，GOLD测量将提供前所未有的地球的热层特质图像。图中的五个圆盘显示了地磁暴期间在160km高度附近的热层温度演变的模拟图像，五幅图表示在风暴发生期间每隔1小时的可能加热模式。GOLD像ICON一样，将于2017年发射升空，并将彻底改变迄今为止我们对地球“未知层”已有理解。

十年规划：对未来的建议

基于对过去十年太阳和空间物理学界许多成就的认识，十年规划指导委员会鼓励对2013-2022十年期的关键后续步骤进行广泛评估。结合学界意见（如前所述）和对许多正在进行中的空间计划的认识，委员会制定了一个计划来优化对未来十年科学投资的回报。根据OMB和国会的指导，制定一个方案计划以满足十年内相对平稳的预算概况是应采取的正确战略。

 

图9. 低空大气过程对空间条件影响的示意图，描绘了能量和动量是如何通过大气波和潮汐间相互影响及与太阳和磁层驱动力竞争，进入该区域的。通过在低地球轨道使用高倾角天基平台来实现波输入的空间和时间分辨

 

十年计划（国家研究委员会，2013年）的“零阶”建议是完成正在进行的计划。正如本文最后一节所指出的，2003-2012年期间，许多令人兴奋的项目、方案和NASA飞行任务都取得了一定成果。许多其它方案和飞行任务也已经开始，并且即将到达关键科学阶段。这样的例子，如上所述，是范艾伦探测器和美国宇航局的MMS任务。2013-2022年十年规划将大力支持这些进行中的计划。

十年计划是在联邦预算压力非常大的时候发布的。因此，指导委员会认为，倡导小预算项目可能是该十年中最初几年里能采取的最明智做法。因此，十年计划中处于最高优先级的是一个被称为DRIVE的计划。如图11所示，DRIVE代表多元化、实现、集成、冒险和教育。整个创新计划的每个要素对NASA、NSF和其它联邦机构都有特定的意义。DRIVE的一个关键特征是，它将大量新资源直接投入研究团体，并给予每个联邦机构适当的新资金支持。

DRIVE的“多元化”元素旨在激励更多地利用微型和纳米卫星进行太阳和空间物理学科的研究。考虑到NSF、NASA和DOD发射的“立方体卫星”任务的数量和多样性正在以惊人的速度增加，说明DRIVE“多元化”元素已经取得了巨大的成功。

DRIVE的“实现”元素要求充分开发和利用已有的空间和地面系统，并且，它主张注入足够的资金，以更好地利用这些已经部署的系统执行数据分析。DRIVE的这个“实现”元素似乎已被NASA和NSF欣然接受，因此用于操作和分析的更多资源正被添加到现有预算中。

DRIVE的“集成”元素要求加强与太阳和空间物理密切相关的“姐妹”学科之间的联系。例如，鼓励SSP与天体物理学家之间更积极的合作，以及利用行星研究和地球科学之间协同作用。这也可扩展到空间物理学和实验室等离子体研究之间的协作之中。这种集成概念似乎在机构领导者之间产生了强烈的共鸣。

DRIVE计划的“风险”元素意味着对新仪器设计和空间系统技术进行更大的投资。它还意味着由NASA、NSF、DOE、NOAA和其它机构联合资助的科学中心的发展。在这些机构2014财年（fiscal year，FY）和2015财年的预算中，我们已经看到了对该DRIVE元素进行支持的证据。

为了完成DRIVE，“教育”意味着专注于培训、赋权和激励下一代空间研究人员。太阳及其与地球的相互作用的研究一直极大地激励了年轻学生。继续甚至加倍投入支持来教育下一代科学家和工程师仍然至关重要。

DRIVE计划的初衷是为NASA和NSF提供建议，但对其他机构也有广泛的指导作用。在NASA空间物理学界，人们认为基本等离子体物理学、实验室等离子体实验和各种数值模拟对空间探索计划从根本上都很重要。例如，在2015年美国能源部主持下举办的“等离子体科学前沿”研讨会就很好地说明了这种亲密关系。这些研讨会审查的主题包括激波中的粒子加速，尘埃等离子体中的波-粒子相互作用，磁重联驱动的粒子加速度，实验室和空间系统中的阿尔芬波加热，以及其它前沿问题。对这些主题的关注，清楚地表明等离子体物理学—无论是在实验室、近地空间，还是在遥远的天体物理系统—从根本上都很重要。

如上所述，几乎所有美国政府的相关机构似乎都以某种方式接受了DRIVE概念。人们希望看到实施这一最优先事项的更多新资源。调查（国家研究委员会，2013年）的第二个优先事项是重振美国航天局的探索者计划。如图12所示，探索者计划是美国空间计划中最独特的一个部分，例如探索者I是第一个发现范艾伦辐射带的美国卫星。从1990年左右开始，探索者计划在SSP和天体物理学方面已经进行了大约20次的探索任务。十年规划报告敦促相关机构向探索者计划恢复大约7 000万美元/年的经费支持，以便将SMEX和“MIDEX”任务的发射频率增加到每年或每一年半一次。推进小型太空任务的发展将是NASA（国家研究委员会，2013年）目前最好的选择。

 

图10. 显示了将于2017年在地球同步轨道通信卫星上飞行的边缘和圆盘（GOLD）任务的全球范围观测示意图。主机航天器在左上角示出，GOLD仪器在中间，下部显示了GOLD将观测到的地磁暴主要阶段中热层演化的预期（建模）图像

 

过去的十年规划的传统关注点是NASA的大型（“旗舰”）任务。2013-2022年的十年规划使得DRIVE和加强探索者计划比新的太阳地球探测或新星球探测任务具有更高的优先级。然而，十年计划也非常重视获得新的行星际、磁层、电离层信息和正起步的太阳探测任务。特别地，人们强烈地认识到一个暂时被称为“星际测绘和加速度探头”（interstellar mapping and acceleration probe，IMAP）的任务应该是NASA最高优先的新的0.5B等级任务。如图13所示，我们在科学史上处于一个独特的时代，此时，航海家号航天器正在原位探测终止激波、日球顶层，以及距离我们最近的星际介质。IMAP航天器概念是使用遥感技术在近地空间飞行器上观察日球层的外部，而航海家号航天器在距离太阳几百个天文单位（astronomical units，AU）的空间并行和直接测量（国家研究委员会，2013年）。

除了IMAP，十年规划建议使用新的航天器对或航天器星座探索从地球大气层到磁层（“MEDICI”）或从磁层到低层大气层（“DYNAMIC”）间的耦合。这些任务（参见图14）都可实现原位测量等离子体，同时还可进行遥感观测，以便获得全球系统视图。

 

图11.初期成本低、规模小的DRIVE计划具有多样化的科学能力，将对当前和未来的空间科学研究投资产生重要影响。DRIVE的五个组成部分如下：

∙ 利用微型卫星和中尺度地基条件的多样化观测平台。

∙ 通过对运营和数据分析进行资金支持，实现科学潜力。

∙ 整合观测平台，加强机构学科之间的联系。

∙ 寻求科学中心、仪器和技术方面的突破性进展。

∙ 教育、赋权和激励下一代的空间研究人员。

这是国家研究委员会2013-2022年十年规划的最高优先级推荐项目。

图12. NASA自1990年以来实施的探索任务

 

十年规划的一个关键认识是太阳和空间物理学是如何在我们的技术社会的日常生活中发挥作用的。因此，“空间天气”的主题渗透了整个调查计划（国家研究委员会，2013年）。十年规划强烈敦促NASA（通过LWS）和NOAA，特别是在新的十年里，在可操作的空间气象观测系统以及改进的建模和预测技术方面投入更多的资源（国家研究委员会，2013年）。Schrijver等人（2015年）在由空间研究委员会（空间研究委员会）赞助的一项研究中介绍了满足空间天气需求的路线图。

图13. 表示太阳系和其附近的星系邻域。横坐标为从<1 AU到1百万AU的对数标度。 太阳及其行星被日球层和日球顶层构成的大气泡与星际等离子体隔离。这个气泡外很大程度上是未知的星际空间。

 

图14.  MEDICI通过提供环流（橙色）、等离子体（绿色）、极光、电离层-热层动力学、通量、多点原位测量结果的高分辨3D图像来描绘磁层-电离层系统的复杂、耦合和互连的多尺度行为

 

总结和结论

2013-2022年十年规划达成的共识是太阳和空间物理学有一个光明的未来，巨大的机会存在于太阳、空间等离子体、天体物理学和许多其它领域的突破性研究中。学界准备探索太阳-地球（更广泛地说是太阳-行星）系统，涵盖从太阳内部到最外层的日球层的区域。过去十年表明，空间物理学（NASA也叫 “太阳物理学”）从业者是很好的学界资源管理者。无论是通过主要的空间飞行任务、小型探空火箭、立方卫星，还是通过创新的建模方法，太阳和空间物理研究在最近十年里取得了显著的进展，而且预算资金相对适中。我们有充分的理由相信，NASA、NSF、NOAA、DOE、DoD和其它联邦机构将会支付类似的或更大资金投入到从现在延伸到21世纪20年代初的十年（国家研究委员会，2013年）。

 

图15. 自2013年至2024年按年和类别划分的太阳物理学预算和计划。黑色实线指定为“2012财年预算”，并作为美国航天局的2013年和2022年的资金预算规划的基准。黑线虚线是将预算向前推算到2024年。美国航空航天局从2017年的预算线的斜率实际代表一个不景气的实际年预算，因为出现了2%的通货膨胀。红色虚线被指定为“启用预算”，该预算可以保持过去几十年的预算平衡和发展节奏。可以看出，红线和黑线在2016年相互追逐，说明基本项目内容都受到了预算的约束，然后，2012财年的预算曲线开始与启用预算出现偏离，启用预算以高于通货膨胀率1.5%的比率延伸至2024年

 

如前所述，从美国整体来看，空间物理学真的涉及到最后一段所列出的所有联邦机构。事实上，当人们考虑关于空间研究和空间天气的全部观测结果和模型时，许多其它机构也是最终成功的关键，这包括美国地质调查局（U.S. Geological Survey，USGS）、联邦应急管理署（Federal Emergency Management Administration，FEMA）、联邦航空局（Federal Aviation Administration，FAA）、国土安全部（Department of Homeland Security，DHS）和其它一些对空间和近地环境有深入持续关注的组织，这也是我们现代技术社会的一部分（见国家研究委员会，2008年）。

从本文来看，一个主要问题是在接下来的十年及以后如何有效地经营基础等离子体科学研究。SSP十年计划是负担得起的，已经由NASA的预算图表例证，如图15所示。该图的横轴显示美国财政年度，所示的时间跨度为2013财年至2024年。图中纵轴表示年度预算支出（以百万美元每实际年计）。然后，该图通过不同颜色的形状显示十年计划为NASA太阳物理学计划中的每个关键领域建议的支出。如图所示，NASA所提出的所有事几乎都符合美国政府所发布的2012财年预算计划预测，十年规划也正在制定中。略微强劲的支出计划（标记为“启用预算”）用红色虚线显示，十年计划中提出的一切都可以在~2025年前实现。

NASA、NSF和其它航天机构所进行的研究与等离子体物理学的广阔主题有着密切的关系。这包括等离子体加热机制、粒子加速度、损失过程、波粒相互作用和许多其它有意思的话题，这些话题可以在空间领域以非常有效的方式进行研究。如上所述，在过去十多年来，通过利用美国航天局赞助的太空任务，我们在许多主题上取得了很大进展。此外，未来十年和更长时间也看起来非常有前途，因为范艾伦探测器、磁层多尺度、太阳探测器+和其它NASA任务能完成他们的全部成果。

然而，重要的是要注意，研究领域的进展绝非全部来自大型航天飞行任务。大部分NASA、NSF、NOAA、DOE和其它计划的成功来自基本的理论和建模研究。这一事实在2013-2022年十年规划中得到了明确验证。调查的一个基本组成部分是建议空间等离子体物理学应结合实验室等离子体研究和天体物理学研究。实验室环境和遥远天体物理系统中的等离子体理论和建模的发展对空间等离子体物理学的发展至关重要。

在国家科学院报告的简要总结中，不可能传达所有的事情，比如说近年来空间物理学进展的广度和深度，以及未来计划的潜力。总之，实验室和空间科学研究人员之间的持续密切合作具有着巨大的潜力，可以提高我们的基本认识，并对空间天气学科发展产生实质改善，使人类社会受益。

 

参考文献：

Daniel N Baker, Plasma physics and the 2013-2022 decadal survey in solar and space physics,  Plasma Phys. Control. Fusion 58 104003 (2016).

刘艳 俞文凯 编译 张伟 校对