磁层等离子体探测

　　 等离子体是磁层中各种物理过程的主要参与者，比如极光，就是等离子体从极区进入大气层导致的。我们知道，磁层中的主要物质就是等离子体，它们被加速、减速、传输、扩散，从而在磁层中不同的地方，有不同的分布和能量。对于这些过程的理解，是空间物理学家们认识磁层物理现象的终极目标。在这个过程中，有一些科学卫星被发射升空，探测磁层中的等离子体情况，这也是迄今为止，人类对磁层等离子体进行探测的主要手段。在磁层探测中，我们需要测量等离子体的速度分布、能谱、质谱和角分布等参量，以了解在磁层这个广袤的空间区域中，等离子体是呈现一种什么样的状态，并对太阳风暴如何做出响应的。探测技术上和行星际太阳风探测大同小异，我们就不再做进一步介绍。对等离子体的探测大致分为三种方式：原位探测、成像探测和多卫星联合探测。

原位探测

　　原位探测，顾名思义，就是卫星跑到哪里，就对哪里的等离子体进行探测。在人类对磁层进行探测的初步阶段，以原位探测为主。在早期，人类并不了解磁层中到底有什么物质，都存在什么样的区域，对这些区域做一些普测是十分必要的。几乎从人类能够把卫星发射到太空开始，探测等离子体的仪器就成了卫星搭载的必备载荷。从前苏联“斯普特尼克”(Sputnik)号，到美国的“探险者”(Explorer)系列卫星，从近地空间，至远到月球，从近赤道轨道，到极区轨道，磁层内的等离子体分布得到了一个普查。
　　人们逐步了解了磁层中的等离子体大致分布状况，发现磁层中有多个等离子体分布区域且特点各不相同，并认识到它们随外界条件的变化产生多种响应。至此，人类开始发射一些有更有针对性科学目标的探测卫星，去认识磁层中的物理过程。如ISEE系列、Interball系列、Geotail卫星等，它们被送到磁层中的多个区域，如极光卵区、磁尾、等离子体层等进行探测。ISEE系列卫星共包括三颗卫星，对磁层进行探测，其中ISEE-3在任务的早期是位于地球上游的L1点上，对即将到达地球的太阳风进行探测，经过几年的工作后，进入地月区域，对磁尾进行探测。Interball包括两类探测器，分别为Auroral探测器和Tail探测器，分别对极光区和磁尾进行探测。Geotail卫星则位于近赤道轨道上，可以对磁尾的等离子体片等区域进行探测，至2011年GEOTAIL仍正常运行。

成像探测

　　磁层空间是如此的巨大，因此仅仅对某些区域、某些点的原位探测，并不足以帮助我们认识磁层内等离子体的大尺度物理过程。我们知道，成像是了解一个区域全貌的最直接手段，对磁层等离子体的大尺度探测，也是从成像入手的。

　　Polar和IMAGE卫星是磁层等离子体成像探测卫星的代表。Polar卫星于1996年发射升空，进入极轨（倾角为86度）。Polar能够对极光进行多波段成像，探测进入磁层极区和磁尾的等离子体、进出电离层的等离子体、沉降到电离层和中高层大气中的粒子能量。Polar卫星已经于2008年完成探测使命。IMAGE于2000发射进入倾角为90度的极轨。该卫星采用中性原子、紫外和射电多种成像技术，探测磁暴时等离子体进入磁层的主要机制、太阳风变化时磁层的直接响应以及磁暴时等离子体是如何加速、传输和损失的。IMAGE卫星于2005年因故障与地面失去联系。

多卫星联合探测

　　在一颗卫星的原位探测中，由于卫星的运动，每一个点的探测结果，对应着不同时间的不同区域，这给精细分析带来了困难。磁层中的某些剧烈的物理过程时间尺度却非常短暂，甚至在毫秒量级，而我们却无法把时间变化和空间变化区分开来。此外，磁层的区域很广阔，向阳面只有几个地球半径，而磁尾则甚至延伸到上百个地球半径以外。磁层对太阳风的响应则是系统性的，我们需要在同一时间了解到不同区域的状态。因此，多卫星联合探测应运而生。

　　这些联合探测计划是在近十年来实现的，主要包括欧洲空间局的“星簇”计划（Cluster）、中国的“双星”计划（Double Star）和美国国家航空航天局的“瑟宓斯”卫星任务（THEMIS）等。“星簇”的轨道为极轨，由四颗卫星组成，可在空间中形成四面体，而且四颗卫星之间的距离可根据科学研究的要求进行调控。这四颗卫星的组合形式，好像四个秀丽的舞伴在太空中跳舞一样，不断改变姿势。正因如此，欧空局将这四颗卫星分别用四种舞来命名，即将它们分别称为“萨尔萨”（Salsa）、“桑巴”（Samba）、“伦巴”（Rumba）和“探戈”（Tango）。Cluster计划首次实现了地球空间环境三维小尺度结构及电磁场和粒子的时空变化探测。


　　“双星”计划是我国第一次自主提出的重大空间科学探测项目，包括一颗极轨卫星和一颗近赤道区卫星，运行于国际上地球空间探测卫星尚未覆盖的近地磁层活动区。在“双星”任务中，中国和欧洲空间局进行了合作，双星和“星簇”一起，第一次形成地球空间的六点探测。
　　THEMIS任务更是由5个航天器组成了舰队，它们在广袤的磁尾区域形成阵列，从而探测磁暴发生时，等离子体是如果发生变化和传输的。THEMIS探测器很快发现了大量先前未知的现象，例如碰撞极光、磁空间振动以及在地球磁尾到处激烈运动的等离子核，这些发现有助于研究人员解开若干北极光的长期未解之谜。