局部观测到系统认知：月基遥感打开地球空间探测新窗口

原文发表于《科技导报》2026 年第5 期 《 月基地球空间环境遥感进展 》

地球空间环境是人类航天活动和空间技术应用的重要区域，对其进行持续监测和研究具有重要意义。《科技导报》邀请中国科学院地质与地球物理研究所、行星科学与前沿技术重点实验室何飞研究员撰写文章，综述了月基对地球空间环境遥感的研究进展，以及面临的挑战和未来发展方向。

地球空间环境是指地球表面以上直至太阳活动影响所及的空间区域，包括中性大气、电离层、磁层等区域。它是人类航天活动和空间技术应用的重要区域，也是地球系统的重要组成部分。地球空间环境的变化会对宇航员生命、卫星运行、通信导航、电力系统等产生重要影响，因此对其进行持续监测和研究具有重要科学与应用意义。太阳风与地球磁场相互作用形成了磁层空间，磁层空间不同区域会产生连锁响应，认识这些耦合过程中全局/区域的物质和能量输运规律对理解和预测地球空间天气与环境具有极其重要的意义，同时也是一项重要的挑战。

人类自进入空间时代以来，从未停止过空间探测的步伐。自1970年代开始，地基和天基遥感技术逐渐应用到空间环境探测中。地基观测站可以提供高精度的局部观测数据，但受观测波段、地理位置和天气条件等诸多限制，无法同时实现全球覆盖。因此，开发和利用更稳定连续的遥感平台是促进地球空间环境探测与研究跨越发展的必由之路。月球作为地球唯一的天然卫星，具有独特的轨道位置和稳定的表面环境，为对地观测提供了理想的平台。表1对比了在地基、天基和月基平台开展地球空间环境遥感的优劣势。

表1 地基、天基和月基平台开展地球空间环境遥感的优劣对比

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地球空间环境光学成像进展

地球空间的光学辐射是开展地球空间环境光学遥感的前提。在地球空间，从磁鞘至电离层的绝大部分磁层空间内，不同特性的等离子体都有其特征的光学辐射。

不同波段进行不同方式的光学成像可用于解决不同的科学问题。

• 在30.4 nm或X射线波段对地球磁鞘进行全景成像（磁鞘全景成像），可以可视化弓激波和磁层顶的三维形态结构，为近地空间天气效应研究提供准确的输入。

• 在30.4 nm波段对地球等离子体层进行全景成像（等离子体层全景成像），可以观测地球磁层大尺度对流特征，揭示地球物质分布的动态变化规律。

• 地球两极的椭圆状极光区是太阳风和磁层高能粒子沿磁力线进入地球空间的投影，在X射线−极紫外−远紫外波段对极光全景成像（极光成像），这将突破卫星就位观测的局限性。

将磁鞘全景成像、等离子体层全景成像、极光全景成像结合起来，就可以得到地球磁层空间物质与能量传输的全景图像。

1972年，宇航员约翰∙杨（John Young）和查理∙杜克（Charles Duke）随“阿波罗16号”登陆月球，他们站在月球上回望地球，拍摄了一张前所未有的地球照片：这是首次用远紫外光拍摄到地球周围景象。遗憾的是，至此以后，虽然有大量探测器飞向月球，但鲜有探测器携带对地球空间环境遥感的仪器。

2008年，日本发射了“月亮女神号”（Kaguya）月球探测器。但由于灵敏度低和滤光片故障，TEX未能拍摄到完整的等离子体层极紫外辐射图像，也未拍摄到磁层图像。

中国探月工程“嫦娥三号”任务着陆器搭载了一台极紫外相机，于2013年12月14日成功着陆于月球虹湾以东地区（19.51W，44.12N）。“嫦娥三号”极紫外相机首次实现了从侧面对地球等离子体层的完整成像，如图1所示。基于“嫦娥三号”极紫外相机反演数据，发现亚暴期间等离子体层顶演化与极光边界演化的同步性。

白色圆圈代表地球位置，左侧白色实心圆代表太阳方向。白色虚线代表地磁轴和径向距离分别为2、4、6个地球半径的偶极磁力线投影。

图1 “嫦娥三号”极紫外相机于2014年4月21日世界时13:01拍摄的地球等离子体层图像

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地球空间环境中性原子成像进展

地球空间除了光学辐射外，还存在一种特殊的粒子辐射。环电流、磁尾/等离子体片中的高能离子（H+和O+，能量高于1 keV）与地球外逸层中性氢原子发生电荷交换碰撞，变成高能的中性原子（ENA），这些中性原子保留了高能离子在碰撞时的能量和运动方向，通过中性原子成像仪对不同方向的ENA进行遥感，即可重构磁鞘、环电流、磁尾/等离子体片中的高能离子通量，这就是中性原子成像。

2008年，印度发射的Chandrayaan−1月球探测器曾搭载了一台能量中性原子分析仪开展环月轨道探测。Chandrayaan−1取得的重要发现包括在月球磁异常区上空发现了太阳风与月球相互作用形成的迷你磁层。2018年，中国探月工程“嫦娥四号”任务的“玉兔号”月球车上，搭载了一台由中国和瑞典联合研制的先进小型中性原子分析仪，科学家提出了太阳风与月球磁异常相互作用的新图像，提高了科学家对太阳风与月球磁异常相互作用的认识，揭示了月面ENA能量随太阳风入射能量和角度的变化关系，进一步加深了对太阳风−月面相互作用机制的理解，同时也为太空风化过程和太阳风成因水的研究提供了新视角。

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月基地球空间环境遥感展望

月球是地球的天然卫星，自转周期与公转周期相同，因此月基观测可以实现对地球空间环境的长期、稳定、连续观测。月球约2/3时间位于地球磁层外，可以提供地球空间环境的外部全景视角，弥补传统观测手段的不足。

月面平台包括着陆在月球表面的着陆器和巡视器，以及未来可能建设的月球基地。月球日出后，月表温度开始急剧上升，并在月球正午时（即满月附近）达到最大值约 120℃，之后开始缓慢下降，且在进入月夜后急剧降温。这对月面工作的仪器提出了极高的温控要求。由于月球的轨道运动特性，半个月处于白天，半个月处于黑夜，因此，对月表工作的设备的能源也提出了极高的要求。月面还将遭遇到的一种特殊环境是月尘。月尘易附着在太阳能板、机械关节和光学仪器上，导致效率下降或故障（如阿波罗任务中相机受污染）。总的来说，虽然月面环境比较恶劣，但随着技术的进步，如空间核能技术、环境控制技术、智能技术的应用，基于月面平台遥感应用将越来越广泛。

月球轨道平台即环月卫星，轨道高度可根据需求设计，运行环境比月面良好和稳定，相比月面平台来说更容易实现，因此也是目前使用最多的平台。因此，在月球轨道平台上对地球空间环境遥感最佳的选择有2种：

• 一种是高度较高的圆环轨道，轨道面与地月连线垂直，随着月相同步漂移，可以实现对地球空间遥感器的连续稳定运行。

• 另一种是采用大椭圆轨道，卫星可以长时间处于距离月球较远的位置，进而可以较稳定连续地指向地球。但这种轨道可能不可避免地出现月球遮挡现象，如“嫦娥七号”任务“鹊桥二号”中继星。

“嫦娥七号”任务“鹊桥二号”中继星的工程任务是接替“鹊桥一号”为“嫦娥六号”及后续探月任务提供中继通信保障。在中继任务的间隙，“鹊桥二号”将调转指向，开展对地球空间环境遥感任务。“鹊桥二号”搭载了2台对地球空间遥感成像仪器，实现“嫦娥七号”任务主要科学目标之一：月基对地球磁尾和等离子体层的观测与研究，这也是国际上首次在月球轨道同时开展极紫外光学成像和能量中性原子成像。“鹊桥二号”中继星于2024年3月20日成功发射。目前测试结果表明仪器健康状态良好，设计工作寿命为8年，未来将源源不断为科学家提供自主的高质量遥感图像数据，从整体视角揭示太阳风—磁层—电离层相互作用规律。

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结论

地球空间环境作为连接太阳活动与地球系统的关键区域，其动态变化深刻影响着人类航天活动、空间技术应用及地面基础设施安全。月基遥感凭借其独特优势，成为推动地球空间环境研究跨越式发展的重要方向。

月基对地遥感的核心价值在于其“全局视角”与“连续监测”能力。未来，通过整合光学、中性原子及原位探测数据，有望构建地球空间环境的四维动态模型，揭示太阳风能量注入、磁层亚暴触发及电离层响应之间的完整链条。“鹊桥二号”等任务将推动磁鞘–等离子体层–极光耦合过程的可视化研究，为空间天气预报提供关键输入。未来应部署更加灵敏、视野范围更大的光学和中性原子成像仪，观测更微弱、更大范围的地球空间辐射。此外，月球基地的建设和国际合作（如中欧SMILE任务、国际月球科研站等）将加速探测网络的全球化布局，最终实现从“局部观测”到“系统认知”的跨越。

月基遥感以其不可替代的优势，正在开启地球空间探测的新纪元。随着探测技术的持续革新与国际合作的深化，月基平台必将成为破解空间天气奥秘、守护地球家园的“天眼”，为人类迈向深空奠定坚实基础。

本文作者：何飞

作者简介：何飞，中国科学院地质与地球物理研究所、行星科学与前沿技术重点实验室，研究员，研究方向为地球与行星光学遥感和行星物理。

文章来 源 ： 何飞.月基地球空间环境遥感进展[J]. 科技导报, 2026, 44(5): 32−38 .

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