空间环境及其保护 (都亨)-第2部分

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背面接受到这个电视信号，这就是现在我们电视转播的一个概念，无论是短波也好，或者电视信号也好，或者其他频率的电磁波也好，我们可以看到它都会受到电离层的影响，那么也就是说，如果说我电离层受到扰动以后，我所有的短波信号电视信号都会受到干扰，那么这张图就表明，如果说我这个电离层受到影响了，或者密度增加了，或者高度降低了，我都会受到通过扰动区的广播信号或者电视信号都会受到干扰，这张图表明，因为电离层在赤道区和在极区都有很大的扰动，这些扰动都会影响（电波传播），除了这些信号以外，包括我们现在的所谓的GPS，就是全球定位系统，通信系统，都是要借助于无线电波在空间的传播，也避免不了这些无线电波通过电离层，因此一旦电离层发生扰动的话，这些定位系统也都会受到影响，除了这个之外，我们刚才讲到，地磁场和太阳风的作用会形成一个磁层，那么太阳风扰动的时候，就会引起磁场的变化，那么磁场的变化我们就知道，就会在一般我们供电线路的变压器里面，感应出来非常强的电流，那么，有一个例子我们可以看到，1989年8月13号早晨，加拿大的一个电力公司，它的北端的供电网发生了事故，一系列断电事故相继发生，不到90秒钟，整个电网就瘫痪了，电力公司损失一千万美元，用户损失几个亿个美元，部分地区停电了几天以上，这个在一个高度发达的国家里面，停电几天，影响是非常大的，那么它的原因，既不是供电系统设计的问题，也不是操作员的失误，而是由于空间环境所造成的地球磁场的迅速变化，它的变化在变压器里面感应的电流使它烧毁了，那么这里可以看出，这张图就是原来变压器的外形，这个是烧毁以后变压器的线圈，所以空间环境的影响对我们的供电系统也有很多的影响。

　　　　那么下面我们再集中讨论一下，空间环境对航天器的影响，因为现在自从我们进入太空以后，航天器在我们人类生活里面的作用是越来越重要，一个通信卫星的影响，一个通信卫星的失效，它不但会使通信中断，像1997年美国的一个通信卫星失败以后，不但影响到打电话，看电视，而且，由于通信的中断，造成股市的中断，影响了整个的经济生活，所以航天器的安全是非常重要的，那么空间环境对航天器的影响刚才我们也看到了，也是非常严重的，归纳起来，大概有这样几种影响，我们刚才讲到了地球高层大气，有原子氧，有地球磁场，有银河宇宙线，有太阳宇宙线，有地球辐射带，有地球电离层，还有磁层里面等离子体，还有流星体，还有太阳电磁辐射，等等这些天然的因素，那么这些因素可能造成（对）卫星轨道的影响，刚才我们讲了，地球高层大气可以使卫星的轨道降低，使卫星陨落，它还会造成卫星辐射损伤，还会造成卫星机械损伤，还会造成化学损伤，等等，我们下面再来看一下，到底空间环境对卫星有哪几（种）具体的影响。

　　　　有一个事情，是卫星充电，是过去在上个世纪70年代，人们在很多卫星的故障原因的分析出才逐渐发现的，就是说，一开始的时候，工程师并没有注意到这样一个问题，后来在（20世纪）70年代，美国很多通信卫星相继的出现故障，分析原因找不到设计上的问题，后来，就根据空间环境当时的状态，人们才发现，原来造成这一卫星的损失，就是空间的等离子体，那我们看到，如果说在一个卫星表面，它的周围有很多电子和离子，由于电子的质量比离子的（质量）要小得多，所以电子运动速度要比离子的速度要快得多，也就是说，电子落在航天器表面上的速度要比离子或者质子要快得多，这样的话，在（航天器）表面上就积累一种负电荷，一直达到平衡电位，这个电位是排斥了一些电子，使得最后落到航天器表面的电子和质子的数量，就达到一个很高的电位，那么在没有太阳照射的情况下是这样。

　　　　这时候，卫星表面上就会积累很多的负电荷，那么在阳光照射的区域情况就有点不一样，它一方面有电子打上去，另一方面也有质子打上去，这是跟夜晚和阴雨区一样的，但同时在太阳光照射下，我们知道太阳光可以在卫星表面上打出很多光电子，也就是很多电子是会离开航天器表面往外跑，这时候，它的作用也就可以完全把电子的作用抵消掉，而形成一种，在表面积累一些正的电荷，于是，在太阳光照射的区域，卫星表面是带正电的，这样的话，如果说一个卫星表面它有一部分是照射到太阳光，有一部分是照射不到太阳光，而且它表面不是导体，是个介质，我们可以很自然的想到，在太阳光照射的部分它可以带正电，没有照射部分它是带负电，而且它的电位，据实测的电位可以达到一万多伏，那么在很小一个航天器的表面，它电位差到一万多伏是非常危险的，它可以放电，放电可以使表面材料烧毁，它发出电磁脉冲，可以把整个卫星都打坏，在上个世纪70年代在地球同步轨道上的通信卫星屡屡发生故障最后分析的原因就是空间环境造成的，刚才我们讲到，太阳宇宙线辐射带里面都有很多高能的粒子，高能的粒子，加速器里面造成的粒子有很强的辐射效应，物体照射会受到损害，人照射也会受到损害，那么这是一种剂量效应。

　　　　另外，在空间随着我们在卫星上用到的集成电路越来越多，它的集成度越来越高的话，就是一个高能的粒子就可以造成整个卫星的失败，这种事件我们叫单粒子事件，就是一个粒子就可以造成的事件，这个图上给出一个最基本的一个集成电路的一个单元，我们叫PMG，所有的逻辑线路，所有的储存器都是由这种基本（单元）构成的，如果说在空间我们刚才知道有很高能量的太阳宇宙线，和辐射带的粒子，有个粒子打上去的话，我们可以发现在通过的PMG的周围就会打出很多等离子体，形成很多电子和离子，那么电子和离子在PMG的电场作用下，它就会形成一个电脉冲，这个电脉冲进入了电路以后，它就会造成逻辑状态的翻转，就是说，如果我储存器里面原来存着0，那么由于高能粒子通过，所造成的影响它变成1了，或者1就变成了0了，这样一个结果，可想而知，如果仅仅是数据上一个错，问题不大，如果是在控制系统里面，0变成1，或者1变成0的话，那整个控制逻辑就完全紊乱，它就完全可以导致卫星的失败，总结起来，我们空间环境对人类生活有那些影响，我们可以看到，刚才讲到的卫星充电是一个，卫星可以达到很高的电位，还有流星体，很高的速度可以打坏卫星的表面，还有太阳电池的损坏，在高能粒子的轰击下，太阳电池的功率会越来越小，航天员的安全也是我们要考虑的，还有大气阻力是卫星要陨落的主要的因素，还有电离层那些不规则体，它可以影响到卫星和地面的通信，造成信号闪烁，无线电波的扰动，还有供电网的中断，这都是空间环境引起的，这里还有飞机乘客辐射的安全，这个在国外的，通过极区的航线上，已经在开始考虑这样一些问题了，同样原因，由于通信电缆，就是说，很长的电缆，由于供电网，是很长的电缆，通信电缆里面，如果（受到）地磁场的扰动，也会感生很多电流，也会产生扰乱，所以刚才我们讨论的，就是空间环境，对我们现在人类生活的影响，是非常大的，特别对航天的影响，对我们人类的发展有很重要的影响。

　　　　第四个问题我们就要讨论研究和防护空间环境，就是说，空间环境对人类在空间生存是很不利的，那么我们怎么办，我们首先看一下我们的任务，首先我们的任务要认识空间环境的规律，到底空间环境怎么变化的，我们首先要掌握它的变化规律，要测绘空间环境的分布，到底空间环境有些什么东西，比如它大气是怎么分布的，太阳宇宙线它是怎么分布的，辐射带它是怎么分布的，这些都是我们要去测量和描绘的，另外我们还需要预报空间环境的变化，特别像太阳活动它不是说始终是那么（频繁），有的时候还是很平静的，那么我们就要挑选太阳活动比较平静的时候来进行我们的空间环境（测量），预报空间环境的变化，还有就是要减缓空间环境的影响，就是我们知道空间环境对航天员对卫星有这个影响，我们怎么来防护它，我们是给卫星穿个盔甲呢，还是采取别的办法来防护，最后当然还有一个利用和开发空间环境（的问题），就是说，我们积极主动的要应用这个空间环境来为人们造福，要利用和开发空间环境，最后一个问题是防止空间环境的污染，因为我们也看到了，人类从陆地到海洋，到大气不断地经历了水污染，空气污染的过程，然后，我们人类的历史是先污染后治理这样一个过程，空间环境我们希望能够改变这个状态，不要先污染再去治理它。

　　　　那么空间环境研究主要内容大概是这样一些，一个是探测，首先是探测，因为没有探测我们没法认识空间，这个就跟大气一样的，我们要做气象预报，要认识天气的话，首先也要探测，但是有一个很不一样的地方，空间环境探测手段比较多，它可以（有）地基探测，就是放在地面上来对空间环境进行观测，也可以放在天上，在卫星上来进行观测，也可以在卫星上直接进行探测，也可以通过远程的探测或者用遥感的办法来进行探测，就是方法和手段是比较丰富。

　　　　第二个要做的工作就是要建立模式，因为我们要描绘一个空间的分布的话，需要建立一个模型，就是根据这个模型我可以知道，在任何时刻，在任何地点我的空间环境参数是什么样的，还有，我们要进行预报，就跟天气预报一样，要研究预报方法，要进行预报监测，要建立预报站来实施，然后还有对效益进行研究，因为这些效应都是地面上所没有的，是特殊的，比如说高速的碰撞，每秒钟几十公里的一个速度撞击的话，在地面上是不可实现的，所以是人类过去知识里面所没有的，那么我们要做的呢，我们必须要研究它的过程，来研究（防护）它的方法和对策，另外，还要应用，包括军事应用，也是很重要的方面，另外还有微重力的应用都是空间环境很重要的方面。

　　　　所谓建立模型就是说我们可以看几张比较好看的图，来描绘我们周围的空间是什么样的，那么这张就是，中间是地球，我们可以看出来这是真正地描绘出来的地球磁场的分布，地球磁力线的分布，以及太阳宇宙线是怎么沿着磁力线到达北极产生这样北极光的，这张图就可以使我们联想到在陆地上我们实际上也做过很多这样的图，就是所谓等高图，因为我们在陆地上要认识陆地的话很重要的就是要对陆地进行描绘，要测绘，要做大地测量，要做地形图，那么这张图就很像我们的地形图，只是它所标出来的不是高度，而是说质子的数量，也就是说在红的地方，质子数量很高很高，在别的地方它是比较低，这样，所以我们对空间环境也需要全面的来对它进行测量和描述，当然跟地面上不一样的，它描述的参数比较多，既要描述它的等离子体，又要描述高层大气，又要描述质子，高能带电离子等等，很多的参数要进行描述，这张图也是一个描绘的结果，除了这个之外，我们刚才讲了还要对空间环境的扰动进行预报，预报　大家都很熟悉天气预报，天气预报首先是好多气象台去监测，去探测，那么空间环境预报也是一样，需要很多地基探测，这里就画了五个天文台，是专门对太阳活动进行监测的，根据这些监测的结果来进行预报，这是从地面上的一个监测，另外，空间环境的特点，就是在空间进行监测，这张图，把刚才我们讲的，从太阳到地球的整个空间，就压缩在这样一张小的图里面，这张图就想显示一下，就是说我们现在对整个空间环境监测的能力已经到什么程度，以及我们还需要做什么努力，这也是一张X射线的图，可以看到这里有一个太阳耀斑在爆发，顺便说一下，这是1997年1月7号太阳表面的一个爆发，它爆发的时候我们有一个卫星是直接通过X光看见太阳表面的爆发，而且，欧洲有一个卫星就测量到，在这个时候X射线流量，就是X射线强度就急剧增加，同时有一个搜索的卫星，看到了太阳表面有一团物质在抛射出来，就是这团白的物质，向地球来了，于是这个时候，正好在做空间环境预报的科学家，就预报了再过两三天，可能会引起地球空间环境的激烈扰动，但是，当时因为还没正式的空间环境预报，只是在内部通报了一下，所以很多工业部门都不知道，但是过了几天以后，这一团太阳风就逐渐到达地球了，那么这张图上可以看出来，在1月10号的时候，美国有一个卫星叫ITNT401号的卫星就失效，正是由于太阳扰动所造成的卫星失败，也就是说空间环境科学家预报的非常准确的，如果当时的工业界采纳了这个预报，采取了措施，就可以避免这个卫星的失败，这是后话。

　　　　也就是说，现在人们已经有能力，来监测从太阳到地（球）整个过程的扰动的传播过程，那么也就是说，我们具备了监测扰动的能力，具备了预报的最基本的要素，这个高能的高速飞行的流星体和空间碎片，也会造成很多的，造成卫星的损伤，我们举一个例子，就是说1995年7月7号法国一个电子侦查卫星，就在运动的时候，就给一个碎片撞坏了，那么空间碎片来源，就是有那么几个，只有百分之六十还在工作的有效载荷，就是现在天上还在工作，只有（百分之六是）还有用的，其他（百分之九十四）都是没有用的，大部分是（卫星）在空间爆炸以后，解体以后形成的碎片，还有一部分是火箭的箭体，就是火箭把卫星送入轨道以后，它本身留在轨道上，这部分是停止工作的有效载荷，还有一部分是在航天活动过程中，所丢出来的一些物体，那么我们从1957年开始，空