空间物理探测数据的特点及其在研究工作中的地位
都亨/刘其俊
(WDC—D空间科学学科中心）
空间物理是认识宇宙的一门基础科学，它和地球物理学、大气物理学、天文学一起组成认识和研究宇宙的完整的科学体系。它主要研究宇宙空间的物理现象和规律，了解宇宙空间的组成、结构和变化，认识各种物理过程的本质和因果关系。
在人类进入太空以前，人们是从地面得到的观测数据来认识太空的，由于数据量少，而且又都是间接的观测结果，虽然数百年前即已开始在探索有关的问题，但长期以来一直是作为地球物理学科的一部分缓慢的发展。在本世纪50年代末，人们在组织国际地球物理年(IGY)进行大规模的国际联合研究的时候，第一颗人造地球卫星成功地进入了太空，提供了在宇宙空间直接进行探测的现实可能性，探测条件发生了根本的变化。在大量探测获得的数据的基础上，人们对宇宙空间的认识也随之发生了根本性的变化。大量研究工作的结果使空间物理学脱颖而出，从地球物理学中分离出来，逐步形成一门独立的学科。
随着航天技术和探测技术的发展，探测区域逐渐扩大，探测参量不断增加，探测精度不断提高，人们对太空的认识越来越深入和全面，空间物理研究也得到迅速的发展。
认识宇宙是空间物理发展的主要动力之一。随着航天事业的发展，人们发现空间的物理状态对航天器有着不容忽视的影响。是诱发航天器故障和异常的重要原因。为了航天器的安全，为了延长航天器的寿命、提高航天器的效益，必须更详尽地了解太空的物理状态、了解它们与航天器的相互作用过程，对太空探测提出了更新、更高的要求，成为推动空间物理研究发展的重要力量。
人们是从分析探测数据来了解宇宙空间的，利用各种手段来进行探测以获取数据必定是空间物理研究的主要内容，以美国1995—2020年的规划为例，95%以上的经费是用于各种空间探测计划的，如果加上常规的地面观测，其份额将还要高。提高数据的价值和使用率，实际上成为决定空间物理发展的重要因素。
从空间物理学发展过程中的几次重大发现也可以看出探测和数据的作用。
(1) 太阳活动和地磁场扰动之间的关系。早在17世纪，人们发明了望远镜获取了太阳黑子的数据，发明了磁变仪连续记录了地磁场的变化，从两者密切的相关关系中发现雄磁场的剧烈变化是太阳扰动引起的，从而开始了日地关系的研究。
(2) 电离层的发现和利用。1901年英国科学家成功地实现了横跨大西洋的远距离无线电通讯，由此发现了电离层，并根据无线电波在电离层中反射的数据得出电离层的结构。
(3) 极光亚暴。极光是高纬地区人们生活中的常见现象，也是极区探险的主要对象之一，数千年来被蒙上一层神秘的面纱。自上世纪以来对极光进行了大量系统而有组织的观测，在分析这些观测数据的基础上掌握了极光出现的地理位置分布和随时间变化的规律，解开了极光成因之谜。国际地球物理年以后极光观测数据的量大大增加，形成了极光亚暴的概念，为极光形成和发展的物理过程的研究提供了坚实的基础。
4)空间结构的建立。人造地球卫星、人造行星提供的探测条件，使人们掌握的空间数据的状态发生了根本的变化，从地面上的间接观测变为在太空现场的直接探测，扩大了探测的范围，提高了数据的空间分辨率和时间分辨率，人们才有可能详尽地描绘太 空的结构，才给出了今天大家所熟知的磁层、等离子体层、辐射带、太阳风、行星际磁场、扇形结构等的特征。
1 空间物理探测数据的特点
空间物理探测数据与相邻学科的探测数据相比，有以下的几个特点：
(1)参数多。空间的参数不仅数量多，而且类型也多，几乎覆盖了物理学的所有领域。大致包括以下几方面：
中性气体的密度、温度、成分、风
高能带电粒子的成分、通量、能谱、运动方向
等离子体的密度、温度、速度
固态物质的通量、质量、运动速度
磁场的强度和方向
电场的强度和方向
电磁辐射的强度和频谱
(2) 参数数值的跨度大。例如，带电粒子的能量包括leV以下的低能电子到1020eV以上的宇宙线粒子；磁场强度从行星际空间的100nT到木星表面的108nT; 电磁辐射的频率从10-3HZ的地磁脉动到波长不足0.lnm的高能电磁辐射，给探测工作带来了极大的困难。
(3) 探测手段多，各有长处，互相补充，构成完整的探测体系。
从地面上对太空发生的现象进行观测是最基本的探测手段，如果从极光观测算起有几千年的历史。从上世纪开始根据研究工作的需要，在特定的位置上建立了大量的观测台，如地磁台、电离层台、宇宙线台、哨声和脉动观测台等。近年来出现了采用高技术的地面观测台，如探测高层大气的激光雷达、测量空间电场和高层大气的非相干散射雷达等，使地面观测的作用得到了很大的加强。地面台站可分为两类，一类是被动地记录 所观测参数的变化，如地磁台，记录的是空间环境变化在地面上的反映，这类数据往往只能监视太空的变化，而得不到该参数在太空的分布结构；另一类是“有源”的探测，即发出一个光束或电波，根据返回的光束或电波所获得的信息可以得到太空参数的分布和变化。地面观测的长处是所需费用比太空直接探测低，可以长期连续观测，按研究工作的要求可在某些区域或全球布置多个台站组成台站网，提高观测数据的使用价值。
利用人造地球卫星或人造行星携的探测仪器在太空直接进行探测是空间物理研究数据的最主要的来源。显然，太空直接探测依赖于航天技术的发展，航天器的飞行轨道决定了空间探测的区域，三十余年来已经从近地空间发展到距离地球几十亿公里之遥的日球层边缘；航天器的姿态、给探测仪器提供的运载能力和能源等都直接决定了探测仪器的水平、探测数据的质量和价值。直接探测的优点是具有很高的空间分辨率和时间分辨率，在大型的探测卫星上可同时安装十余台探测不同参数的仪器，即可获得所在区域的综合信息，对于空间物理过程的研究是很有意义的。由于太空区域很广，各区的变化 过程有很大的差别，为了同时掌握各个区域变化的相关关系，70年代以卫星组的形式 (称“母女卫星”或“姐妹卫星”）进行探测，近年来发展为大规模的国际联合探测，如国际日地探测计划（ISTP)组织了分布在磁层内外的十余个卫星联合进行探测，然后组织联合工作组共同分析所有的数据，得到了许多分散的单独测量无法得到的结果。用火箭携带探测仪器进行测量是直接测量的一个特殊的类型。由于探测的时间较短，一般只有几十分钟，使数据价格比相对较高，但是它是探测数十公里到二百公里之间高层大气参数的主要手段，因为在这个髙度上卫星的寿命极短而无法进行探测。在空间物理探测的历史上火箭探测也曾起过重要的作用。
(4) 空间区域广，空间分辨率要求高。空间物理研究对象的空间尺度是很大的，要覆盖整个空间区域是十分困难的，加上各个区域内的物理过程的特征尺度相对很小，要查清物理过程所需要的数据量就更大了。下面是几个主要的空间区域的尺度和典型物理过程的特征尺度：
(5) 随时间变化规律复杂。空间物理现象的时间跨度大，特征时间长的有数十年甚至百年以上(109s)，短的不到1min。
2 空间物理探测和数据的现状
由于空间物理过程本身是极为复杂的，一个简单的现象就会涉及多个参数太空” 又是如此广阔，变化过程又是如此复杂，加上空间探测是耗资巨大的一项科学事业，以致任何一个人、机构或国家都不可能仅依靠自身的力量单枪匹马地进行探测和数据收集工作，因而从一开始科学家们就意识到必须联合起来。50年代末的国际地球物理年计划就是空间物理研究中第一次大规模国际联合研究。在以后的数十年里国际合作研究计划从未间断，如国际太阳平静年（IQSY)、国际磁层研究（IMS)、中层大气研究 (MAP)、日地能量传输计划（IPST)等。
地面观测经过数十年的发展已经具有很大的规模，建成了遍布全球的观测台站网，如地磁观测站的数目达到449个。从地磁观测站在全球的分布可以看出，在地磁场变化剧烈的极区台站比较密集，特别是沿地磁子午线建立了几条地磁台链，它们所取得的数据对磁亚暴的了解起过重要的作用。观测仪器也从磁变仪发展为数字化记录的磁通门磁强计。仅WDC-A收集的地磁数据就已达数千台站/年。电离层台的探测仪器主要是垂直测高仪，自1925年开始建站，目前已有台站312个，80年代开始新一代的数字式垂直测高仪正逐渐取代旧的模拟式垂直测高仪，使观测数据的质量和信息量都有很大的提高。
在卫星探测方面，作为头号太空大国的美国进行了最大规模的探测，仅探测卫星系列就有数十个之多，每个系列中包含的卫星数目少的有三五个，多的可达数十个，空间探测卫星是卫星数目最多的一个卫星品种。卫星探测大概经历了三个阶段：
第一阶段是50年代末至60年代末，这一阶段的主要特点是大量卫星进行全面的普査，卫星数量多，探测参数多，几乎对所有参数都进行了探测。但受航天技术的限制，卫星总体提供的工程条件较差，每一颗卫星上的探测项目比较少，探测仪器也比较简单，并且是以单星探测为主。这一阶段的发现是十分丰富的，对日地空间作了全面的、概括的描述，得到了各种参数的静态模型。
第二阶段是70年代和80年代初，空间物理研究发展到深入了解动态过程和物理机制的阶段，相应地要求在一个卫星上围绕一个物理过程同时进行多个参数的综合测量，以便全面了解该物理过程的各个方面，同时航天技术的发展也允许研制大型复杂的探测卫星，或者要求在太空几个区域同时测量相同的参数，既可以解决一个卫星单独探测无法区分空间变化和时间变化的问题，又可以研究一个物理现象在空间传输的问题，测量其传输速度，还可以获得不同区域的参数之间的相关关系。因此，这一阶段的特点之一是发射了许多卫星组，第三阶段是80年代以后，空间物理研究发展到将日地系统作为一个整体来研究的阶段，要求有大量的探测卫星分布于空间各个关键区域同时进行测量，这个时期欧洲、前苏联和日本的航天技术得到很大的发展，有强大的力量可以进行空间探测，于是出现了大规模的国际联合探测计划，如国际日地探测计划组织了20颗卫星进行联合探测，从该计划中主要卫星轨道的分布，可以看出这些卫星获得的数据将从各个位置、各个侧面来描述太空的状态，从而得到近地空间的全貌。由美国国家航空和宇航管理局、欧洲太空局、日本的宇宙科学研究所和前苏联的“国际宇宙”联合组成了太空科学局际咨询组（IACG)，它的日地科学计划包括了28个序列共40个航天器。如此大规模的联合探测，得到的数据量是极为可观的，而且仍然是分散在各个进行探测的科学家手中。如果没有同样大规模的联合数据分析，联合探测的目的是无法实现的。因此，探测数据的统一管理、数据交换的畅通是联合探测计划成败的关键，这一任务依然是由WDC来承担。
3 我国空间物理探测和数据
3.1 地面观测
我国的地面观测至今仍是空间物理数据的主要来源，观测台站的数量具有相当的规模，布局比较合理，某些观测项目有较长的历史，观测仪器具有较高的水平。地磁观测是我国观测时间最长的项目，佘山地磁台已有一百余年连续记录的历史，即使在战乱年代亦未中断，是极为宝贵的资料。50年代在全国设置了北京、武汉、长春、拉萨等七个地磁台，都已有三四十年的记录了。但是大部分台站的记录仪器仍是采用光电式模拟记录的磁变仪，记录结果虽然直观，数据处理极不方便，时间分辨率也不高。正在实施的沿东经120°建立数字式的地磁台站链的计划，将会使这一状况有所改进。电离层观测是从40年代开始的，现在已形成由12个垂直测髙仅组成的电离层观测网，部分台站，已装备了先进的数字式垂直测高仪。在北京、武汉、西安等地还有探测电离层电子总含量的高频多卜勒测量、监测电离层扰动的长波相位监测等项目。宇宙线观测在50年代末根据国际地球物理年的计划而建立的，目前在北京有游离室、μ介子望远镜和超中子堆，在广州有塑料闪烁望远镜。
3.2 卫星探测
我国的卫星探测尚处于起步和探索阶段，与国际水平有很大的差距，与我国先进的运载技术和已臻实用的卫星应用技术也不相适应。在极少的几次探测中，由于卫星条件的限制，取得的数据也远远满足不了科学研究的需要。
4 空间物理探测数据的管理
4.1 管理工作的必要性
探测只是取得数据，只是研究工作的第一步，而获取数据、储存数据并不是目的，只有当探测数据在科学研究或其它各个领域中得到应用时，探测数据才会产生效益。从上面分析的空间物理探测特点和目前的状况可以看出，一方面是探测手段的多样化和分散性，太空参数对时间和空间的依赖性；另一方面是空间科学研究和应用研究要求对各种数据进行综合分析，要求在各个特定区域有长时间的观测数据。在分散的探测数据和分散的科学家之间显然需要一个沟通的桥梁，使得世界各国的科学家能方便地获得分散在世界各地的、用各种手段采集的数据，这个桥梁就是探测数据的管理。幸运的是这一特点从一开始就已被具有远见卓识的空间物理研究的科学家和组织者们所认识，为了使参加“国际地球物理年”计划的各国科学家能更方便地获取执行该计划时所取得的数据，国际科联在1957年就决定建立世界数据中心（WDC),作为国际地球物理年的组织计划的一个组成部分，并且规定了建立这一数据中心的宗旨是为了保证“使所有国家的科学工作者都能很容易地获得国际地球物理年计划所取得的数据”。实践证明，这一决定是十分正确的，数十年来所有的国际合作探测计划的数据都是由世界数据中心负责收集、加工、分发的，正是它对研究工作所作出的卓越的贡献。它的领域在不断扩大，它的作用也在不断扩大。WDC中的日地物理领域在各分中心的学科专业完全覆盖了空间物理的所有探测项目。
从研究工作的效益来看，综合分析大量探测数据的结果，是单因素分析或少量数据分析的结果所无法比拟的。在人们投入了大量的人力、物力而取得了探测数据以后，数据管理工作的优劣就决定了它们能发挥作用的水平。80年代以后，人们已不满足于单纯的以收集和贮存为主的数据管理，开始围绕共同商定的日地空间发生的重大事件，组织尽可能多的观测数据进行联合分析。1978年，为了满足国际磁层研究的需要组织了第一个联合数据分析工作组（CDAW———— Coordinated Data Analysis Workshop),并建立了专门的数据库，三十余年来的实践证明这种层次逐渐升高的数据管理形式在空间物理的研究中起着非常重要的作用。
4.2.1 数据收集
数据收集是数据管理最基础的工作，随着探测数据的积累，数据中心收集的数量与日俱增，使数据中心的规模日益庞大。1966年美国宇航局在戈达德飞行中心建立了“国家空间科学数据中心”（NSSDC-National Space Science Data Center)，对外为世界数据中心的“火箭和卫星数据中心”（WDC-A Rockets and Satellites Data Center)，是专门收集火箭和卫星探测数据的，到1990年共收集了120000盘磁带。其中包括325个卫星的探测数据和地面台站的观测数据。
4.2.2 数据加工
数据加工是多层次的，统一数据格式、模拟量和数字量之间的转换等是数据加工中最基础的工作。由于各种各样的原因，同一参数的记录格式往往是很不相同的，给使用数据的科学家造成很大的困难，统一数据格式的工作又是极其繁重的，由数据管理部门统一进行可大大节约科学家的精力。为了彻底解决这一问题，对各种观测项目制定一个科学的、既适合该参数的特点，又便于处理的数据格式是十分必要的，这也是数据管理部门的工作内容之一，WDC已对主要的观测项目制定了标准的数据格式。随着计算机在科学研究中得到日益广泛的应用，将以模拟量形式记录的数据转化为数字量的要求越来越强烈，这也是一些主要的数据中心的工作内容。在空间物理数据处理中还有一种特有的数据加工是对各次探测获得的数据进行同化处理，由于各个国家或各个部门在进行探测时没有统一的计划，使用的探测器性能和指标上也不一定相同，所得到的探测数据往往不能直接对比，甚至有较大的差异，必须对这些数据进行同化处理才不致造成混乱，典型的例子是行星际磁场和太阳风数据的同化处理，WDC-A火箭和卫星数据中心将数十颗卫星的探测结果集中起来，编制成统一的自1966年到1986年的太阳风和行星际磁场的数据，为用户提供了极大的方便。进一步的数据加工是建立数据库。计算机软件技术的发展，为数据管理提供了强有力的数据管理工具，利用数据库的结构可以从根本上改变对单个参数进行管理的局面，非常方便地将各种探测数据放置于一个综合的数据库之中，既便于同时分析、对比各参数的特征，又可充分利用数据库特有的检索、统计、绘图等功能，大大提高数据处理的效率。根据各个学科探测数据的特点，编制相应的数据库是目前数据中心正在大量进行的一件工作。编制指数和模式是更深层次的数据加工。例如地磁指数Kp、AE、Dst等指数，它们是以多个地磁台站的记录为基础得到的、表征地磁场扰动程度的一个简单的数字，在日地关系的研究和空间环境预报中起很重要的作用，由于这种数据加工能大大提高数据的使用价值，被称为“增值处理”。可以预计，随着空间科学的发展，数据加工的深度将日益增加。
4.2.3 数据分发
数据分发是指向科学工作者直接提供各种原始探测数据以及经初步加工后的各种形式的数据。其方式有两种，一种是主动提供或发布数据，例如一些观测台站将观测结果编印成册，分送给研究工作者，这种形式一般只有单个参数的记录，数据中心利用其收集数据种类较多的优势，以定期出版物的形式编印综合性观测数据，典型的如WDC-A编印的“Solar Geophysical Data”，每月一期，内容包括十分完整的太阳活动和空间环境参数，北京夫文台编印的“中国日地物理资料”则公布国内各台站观测的太阳活动和地球物理的数据。另一种形式是应研究工作者的要求提供所需要的数据，世界数 据中心以这种形式提供的数据量亦十分可观，以WDC-A火箭和卫星数据中心提供的数据为例，1985—1990年间平均每年收到提供数据的申请2500次，每G提供磁带3114盘，计算机打印稿41203灵，缩微胶卷229卷，缩微平片7602张。随着计算机技术在数据管理系统的广泛应用，通过计算机联网向用户提供数据得到迅速的发展，1981年美国国家航空和宇航管理局，欧州空间局联合建立了空间物理分析网（SPAN—Space Physics Analysis Network)，到1990年已有2700台计算机加入这一网络，数据率也已提高到每秒224千字节。可以预言，由于通过计算机直接调用数据在迅捷和便于进一步数据处理上具有绝对的优势，用户还能享用数据库编制的数据处理软件，不久的将来将是数据分发和交换的主要手段。
4.3 我国数据管理工作的现状和对策
四十余年来，我国已经积累了一定数量的空间物理探测数据，尽管没有具体地统计国内观测数据的利用率，但是可以肯定利用率是很低的。大量的观测数据被视为“单位所有”，锁在保险柜中，或者被作为“商品”，视作牟利的手段，而其定价之高令人瞠目，其后果是研究经费已经十分紧缺的广大科研人员望而止步，无力使用观测数据，被迫作“无米之炊”，进行纯理论性的研究。查阅国内发表空间物理研究论文的杂志就可以发现，对观测数据作第一手分析的论文很少，其中许多还是利用和分析国外的观测数据; 在分析国内观测数据的论文中，多数是分析单个项目甚至单个台站的数据，综合利用多个台站或多个项目观测数据的论文更是凤毛麟角。与我国数十年来在建设观测台站和维持台站运行上所投入的人力物力相比，其效益是十分低下的，国家大量的投资不能发挥应有的作用。究其原因，无疑是管理工作上存在的问题。政策法制的不健全、观测数据的所有权不明确，以及对“市场经济”原则的错误认识造成了目前的状态。
我们认为首先必须澄清的一点是：观测数据不是“商品”。和其它所有国家一样，我国所有空间物理观测台站的建立与运行，都是国家作为开展基础科学研究或环境研究来支持的，它们的探测数据是基础科学研究中的基础，在短期内还不能产生经济效益。世界上任何一个国家，无论是发达的资本主义国家还是发展中国家，没有一个国家是将这类数据当作赢利的“商品”，因此在世界数据中心的章程中就明确地规定了，凡是通过世界数据中心交换的数据，除收取复制交换数据所需要的复制费用以外，不得收取其它费用。许多国家，包括美国、日本等典型的资本主义市场经济的国家，不但没有把观测数据当作“商品”来牟取利润，反而将观测数据编制成精美的印刷品，定期出版，无偿地邮寄赠送给用户，以提高数据的使用率。任何国家和地区的科学家索取数据的要求都能得到迅速和满意的答复。同时他们也以数据的利用率来衡量观测台站的工作成绩，决定它的存在价值。对我国来说，无论是在过去的“计划经济”体制下，还是在现行的“社会主义市场经济”体制下，观测资料都是国家的财富，不应成为“商品”，事实上也没有那一个单位能够靠出售这样的“商品”来维持观测台站的运行，更谈不上靠它来建设观测台站，充其量只能使工作人员的福利稍有改善。而其后果却是使国家的大笔投资不能发挥它应有的效益，造成极大的浪费，并严重阻碍了科学的发展。
要改变这一状态必须在上述认识的基础上采取以下措施。
(1) 制定必要的政策和法规
在自然科学各个领域中，像空间物理这样的学科还很多，应该制定必要的政策和法规，对其所有权、使用权、拥有者的权利和义务、奖惩的原则和标准作出明确的规定。合理的、明确的政策法规是改变目前数据混乱状况的基础。
(2) 提高台站观测人员的福利待遇
台站观测工作是十分繁重和艰苦的，观测数据是广大台站观测人员长年累月辛勤劳动的成果。连续、稳定、可靠的观测数据的获得，不仅要求台站工作人员要有丰富的专业知识、严谨的工作作风，还需要他们无私奉献的精神，有时还要克服远离城吉带来的生活上的不便，在平凡的、重复的劳动中为我国的科学事业做出贡献。在从计划经济向社会主义市场经济过渡、在以经济效益为t杆来调节科技人员流向的今天，应该通过提高台站观测人员固定的福利待遇来稳定这支队伍，而不该要求他们通过“创收”来提高生活待遇。
(3) 建立全国统一的数据管理体系
我国的空间物理数据不仅具有其本身种类多、数据量大、记录形式和载体多样的特点，而且由于多年来的体制变化，观测台站分属多个部门，观测数据分散在各个部门和单位手中，至今完整的数据目录都无法编制，因此迫切需要有一个统一的数据管理体系。此管理体系应以现在已经建立的世界数据中心中国中心为基础，分两步实现。在明确该中心的地位和作用以后，第一步先发挥联系和桥梁作用，掌握现有的观测数据的详细情况，编印完整的数据目录并向有关的单位和科学家广为散发，在三五年内初步改变 “割据”的局面，提高数据的利用率，通过实践统一认识。第二步逐渐开展数据的复制和收集工作，使数据中心具有对数据进行加工整理的能力，形成功能齐全的实体。建立这样的数据中心是需要有一笔资金的，但其数量与已经投入和将继续投入到观测中的经费相比是微不足道的，它所产生的效益将远远超过投入。