空间时代的大科学

   第四个领域是空间地球科学。大家可能会疑惑，为什么现在有许多气象卫星、海洋卫星和资源卫星，我们还要专门将空间地球科学作为一个独立的研究方向。实际上，不同于前面提到的这几种遥感业务卫星的目标，空间地球科学是通过空间观测研究地球作为太阳系中的一颗行星的其整体行为和变化（尤其是动态变化）的学科。空间地球科学的概念是在空间探索中提出的，它要求我们系统性地研究其各个圈层，包括水圈、大气圈、岩石圈以及人类活动圈层的相互作用。

   除了各圈层相互作用与气候调控过程，空间地球科学研究的重点还有地球上水、碳、能量的循环，人类活动、生态、农牧业、水资源和人类健康对气候变化的敏感性和适应性以及地球系统的稳定性和变化规律。在过去的几十年里，空间地球科学取得了一系列的重大成就，包括获得诺贝尔奖的发现极区大气臭氧洞，获取全球重力场、冰水动态变化，对海洋环流、地球能量收支、陆-海-气相互作用的定量化研究等等。

   空间地球科学具有许多重要的意义，它是应对全球变化等重大问题的重要科学方向之一；同时也在保障着人类生活质量和永续发展，与我们的生活息息相关。正如我们现在可以感受到的，今年的夏天大家都觉得非常炎热，全球变暖已经越来越贴近我们的日常生活。

   下面简要介绍一些有代表性的工作。比如利用卫星对全球洋流及其他变化进行探测。大家知道，洋流是输送热量的重要途径。除了大气循环之外，海洋循环对地球不同大洲、不同地区的气候变化都有重要影响。下面这幅图片展示的是NASA用2005年到2007年的卫星数据，用可视化技术展现的全球海洋表层洋流图像。通过这些卫星获得的图像，科学家可以分析海洋中热量和碳元素的输送过程。

全球海洋表层洋流图像

   此外，还有一些关于固体地球的测量工作，如GRACE和GRACE-FO卫星。GRACE和GRACE-FO项目各有两颗一模一样的卫星。它们都是地球重力测量卫星，通过两颗卫星的微波干涉来精密地测量两颗卫星轨道的相对变化，从而进行地球高阶重力场测量。后来发射的GRACE-FO卫星除了微波干涉之外，还增加了激光干涉。这些卫星除了测量静态的地球重力场，还可以监测地球重力场的动态高级变化。比如，GRACE-FO卫星显示出了对地球水资源的全球运动和冰雪融化的极高敏感性，这使得科学家得以利用它们监测地球上冰层融化、冰川退缩、海平面上升、地下水减少等现象和趋势。

第二代重力恢复和气候卫星GRACE-FO（微波-激光）

   第五个领域是空间生命科学和人体科学研究。在这方面，我也算是一个门外汉，因此讲得稍微简略一些。生命是最复杂的物质组成形式，它的复杂性不仅仅体现在各种生物大分子的复杂上，还包括新陈代谢、遗传变化以及意识的产生。从低等的生物到人类，不同的生命形式也具有不同的复杂程度。然而，无论是低等还是高等的生命形式，包括人类在内，都是在地球重力场和大气层遮挡的条件下逐步演化和进化的。那么，当生物进入太空后，会面临哪些变化？它们如何响应这些变化？这是一个重要问题。

   关于生命如何产生的问题也备受关注。生命是在地球内部自然产生的，还是在星际环境中产生的？这些问题是空间生命科学聚焦的重大课题，也与未来人类进一步探索外太空的基本问题、防护问题以及生存保障问题密切相关。

   空间生命科学研究的就是地球生物进入空间后的响应以及宇宙中生命存在这两个方面。目前该领域的研究重点主要集中在微重力和辐射条件下的生物学。此外地球上存在磁场，许多生物与磁活动密切相关。然而，在太空中，磁场可能较弱甚至不存在，这将对生物的认知和脑活动产生影响。此外，宇宙生物学还研究在整个宇宙形成演化的大框架下生命的存在和发展问题。

空间站上的小鼠培养装置，已经利用小鼠开展了多批次、大量的生理学和行为学研究

   值得一提的是，美国曾进行过一项著名的实验，将一对宇航员双胞胎中的一位送入太空生活三百四十天，另一位则留在地面。结果发现，兄弟二人中8%的基因表达似乎发生了不可逆的改变。这可能是由于宇宙中的辐射和微重力复合效应引起的一些问题。尽管目前还没有完全了解造成这种改变的原因，但科学家已经利用了大量细胞、微生物、水生生物、植物和动物在太空中开展关于这方面的实验，这成为了生命科学研究领域中一个独特而重要的分支。

宇航员斯科特·凯利在太空生活了340天，与此同时他的兄弟马克·凯利则留在地面上

   第六个领域是微重力科学。由于地球的重力存在，许多物理规律在地面上进行实验时无法完全理解或观察到。然而，在没有重力的情况下，对于液体、熔融体、气体以及原子分子等可以流动的物质体系的研究具有极其重要的影响。

   例如，沉降、浮力对流和分层等效应的产生都是由于重力的存在。然而，在微重力环境下，这些现象都无法再观察。此外，在微重力情况下的流动行为也会有所不同。由于温度梯度引起的表面张力不均匀性以及溶质浓度差异等因素，会出现热毛细现象，使得流动现象更加突出。

微重力下的液滴燃烧

   此外，地面上发生的燃烧过程中，化学动力学过程常常被重力导致对流引起的影响所掩盖。而在微重力环境下，没有了对流的影响，人们可以对燃烧过程的化学动力学过程进行更加仔细和有针对性的研究。

微重力下的一种新奇量子物态——玻色-爱因斯坦凝聚体

   在过去的几十年里，微重力科学揭示了界面张力、浓度梯度驱动的特殊流动规律，发现了微重力环境下物质与能量输运、相变等特殊规律。微重力环境下的晶体生长动力学、过冷与非平衡相变等也取得重要进展。

   以上就是空间科学的主要研究领域。实际上，除了以上提到的六个领域，空间科学还在基础物理研究中不断拓展，在开拓新物理的道路上不断探索。例如引力物理和广义相对论的检验，包括惯性拖拽效应、等效原理、引力量子化、引力相互作用的宇称守恒破缺、引力红移等。以及发现了微重力和超冷条件下的量子新奇现象，例如超冷原子分子在空间中的玻色-爱因斯坦凝聚。量子物理方面，借助空间科学卫星开展了广域量子非定域性检验，弯曲时空下量子态演化等方面的检验。此外，还有对远平衡态系统和研究。可以看出，空间物理研究探索基础物理的规律具有重要意义。

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