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太阳“打喷嚏”,航天器“躺枪”

时间:2023-07-04 01:14:20 来源:科普之家 作者:中国宇航学会 栏目:头条 阅读:706

人类的航天活动日益频繁,意味着需要应对的空间天气危害挑战越来越多。

幽幽的极光是独特的自然景观,一般情况下只有在南北极高纬度地区的人们才能有幸一览其芳华。极光的出现需要3个条件:大气、磁场与高能带电粒子。太阳不断向太空抛射出带有巨大能量的带电粒子,当这些粒子来到地球附近时,被地球强大的磁场干扰,飞向南北两极,与大气分子摩擦碰撞后便产生了极光这一现象。除了绚烂多彩的极光外,仍有一些人们肉眼不可见的暗流在涌动,来自太阳的高能带电粒子与地球磁场相互作用,滋生出地球电离层、磁层和中高层大气的种种变化。人们将这种日地空间与太阳活动密切相关的变化现象统称作空间天气。

1991年5月发现号航天飞机拍摄的南极极光

美国在1994年11月将“空间天气”定义为:太阳附近和太阳风、地球磁层、电离层及热层中影响空间、地面技术系统的运行和可靠性并危害人类健康和生命的条件。空间天气的形成机理复杂,太阳风等过度剧烈的太阳活动会引发地磁暴、热层暴、外范·艾伦辐射带膨胀、电离层性状改变等多种危害,危及地表人类的正常生活,干扰近地空间卫星的正常工作,甚至对在外太空的航天员生命构成威胁。

太阳:狂躁的万物之母

大气层内的传统天气变化归根结底还是太阳的变化。距离太阳近、日照时间长为夏季,距离太阳远、日照时间短则为冬季。所谓“寒来暑往,秋收冬藏”、“云腾致雨,露结为霜”,甚至洪涝灾害、旱灾、蝗灾等自然灾害也都与太阳活动密不可分。

空间天气这一新兴概念更是与太阳活动有直接关联。太阳不间断地进行核聚变反应,同时不间断地向外抛射高温电离气体。宁静状态下,太阳不断向星际空间抛射物质的现象叫做太阳风。太阳风以每小时100万到1000万千米的速度咆哮,每秒将100万吨物质带入太空。当太阳风遇到地球磁场时,地球磁场被“吹”变形,形成一个面向太阳的水滴状磁层。正是因这个磁层的存在,太阳风被拒之门外,无法对地球大气层造成实质性干扰,避免了地球表面大气和水分被太阳风侵蚀吹散。可以说,磁层就是地球的保护伞,这是地球能够孕育生命的关键条件之一。

太阳风吹拂下的地球磁层示意图,天体大小及距离未按照真实比例

但是,太阳并非一直保持宁静状态,也会时常“打喷嚏”。太阳活动可以分为渐变型和爆发型两类。太阳中的异常结构诸如太阳黑子、日冕洞等属于渐变型太阳活动,而太阳耀斑、日冕物质抛射等则属于爆发型太阳活动。

一次典型太阳活动释放的能量约等于上千亿颗广岛原子弹爆炸产生的能量。当太阳风暴发生时,太阳风与地球磁场的相互作用增强,平衡被打破,导致地球的磁层剧烈变化,地面和近地空间的磁场被剧烈扰动,造成地面电路、通信设备及各种卫星受损甚至失效,这就是地磁暴现象。

迄今最强的地磁暴:卡林顿事件

1859年9月1日的卡林顿事件是迄今为止记录的最强的地磁暴事件。这是人类第一次观测到太阳耀斑,也是迄今为止最强的太阳耀斑。这次事件导致美国和欧洲近20万千米的电报线路失灵。在极地的极光十分耀眼,甚至可以在夜晚直接在极光的照耀下看书读报。夏威夷、加勒比海等中低纬度地区甚至也出现了未曾一见的极光。然而,在163年前人类还没有卫星技术,也没有无线电通信技术,因此这样剧烈的磁暴现象引起的空间天气变化并没有对人们的生活产生太大影响。

1859年9月1日由理查德·卡林顿绘制的卡林顿事件中的太阳黑子

但是,如果在今天再爆发一次卡林顿事件,后果将不堪设想。地磁暴将在供电网络中产生感应电流,导致变压器过载甚至完全烧毁,全球的电网将完全瘫痪。卫星将全部报废,通信将完全中断,导航系统将无法正常工作,船舶和飞机将成为无头苍蝇,这一切直接或间接造成的损失将需要大约4到10年去恢复。而根据中科院近地空间环境重点实验室的预测,全球总损失将达到两万亿美元左右。

步入卫星时代的人们虽然还没有经受过卡林顿事件级别的空间天气灾害,但威力次之的几次事件依旧令人们心有余悸。

1989年3月的加拿大魁北克事件导致全城电力系统中断9小时,600万居民度过了没有电力的寒冷黑暗夜晚,直接经济损失达五亿美元。魁北克所有军用雷达站失效,北美防空司令部甚至一度认为魁北克遭到了核打击。

2000年的巴士底狱风暴导致美国气象卫星GOES-8和GOES-10传感器故障,GPS导航卫星失效数小时,空间站先进的成分探测器卫星(ACE)的太阳风速度探测仪失灵,国际空间站轨道降低15千米。受损最严重的是日本ASCA天文观测卫星,太阳能电池板不能正常工作,工作人员努力拯救了2个月后仍宣布失败,最终卫星失联。

热层暴对卫星轨道的影响

热层暴是地磁暴发生同时的附属现象,对近地卫星的运行轨道将产生直接影响。热层是距离地面100千米以上、温度较高的稀薄大气圈层。当发生热层暴时,大气温度升高而膨胀,引起大气环流变化,导致高层大气密度显著增加。运行在较低轨道上的航天器所受大气阻力将成倍增长,对于无法及时升轨的航天器产生致命打击。过大的大气阻力将使航天器运行速度加快衰减,轨道高度更快地降低,将更早地再入大气层而终结寿命。

受此影响最为著名的航天器非美国天空实验室空间站莫属。“天空实验室”于1973年5月14日由土星5号火箭发射。这个重达76吨的庞然大物被美国宇航局寄予厚望,在3次载人飞行任务后,“天空实验室”便进入了任务空窗期,等待航天飞机发射成功后补充燃料抬升轨道。当时“天空实验室”处于约435千米高的轨道上,工程师预计它还可以继续在太空运行到1983年等待航天飞机的到来。然而在1981年航天飞机研制成功前,太阳黑子活动变得比预期更加剧烈,地球高层大气被加热并膨胀,更大的阻力使“天空实验室”只能撑到1979年。1979年7月11日,“天空实验室”带着遗憾再入大气层烧毁。

天空实验室

天空实验室坠落到澳大利亚境内的碎片

范·艾伦辐射带对卫星电子系统的影响

除了大气密度增长导致卫星轨道衰减速度加快外,空间天气恶劣对卫星本身的电子系统也会产生打击。地球上1000~60000千米的高度范围内有大量被地球磁场束缚的高能带电粒子,它们聚集成环绕地球的范·艾伦辐射带。当太阳风暴发生时,范·艾伦辐射带将会向外膨胀,范围扩大,威胁到原本在辐射带外的航天器。

范·艾伦辐射带示意图,内带(红色)以质子为主,外带(蓝色)以电子为主

突然增多的带电粒子将会使卫星表面带电,电压可高达上万伏。当电量积累到一定程度时会在某些尖端和间隙放电,瞬间击穿卫星的防护层。还有些高能粒子可以直接穿透卫星,轰击卫星电路和芯片,对其性能造成影响,严重者可直接导致卫星失效。据不完全统计,近九成的的卫星电路系统故障都与太阳异常活动有关。

根据美国国家空间天气战略计划的统计显示,美国每年因空间天气影响造成的损失高达数千万美元。1998年美国银河4号同步轨道通信卫星因太阳风暴而失效,美国80%的传真寻呼服务瘫痪。而我国在卫星技术发展还不成熟时也因空间天气变化蒙受损失。1988年9月发射的风云一号A气象卫星只正常工作了39天,1990年11月发射的风云一号B气象卫星也只正常工作了165天,它们都因空间天气恶劣导致星载计算机受损,未达到一年的设计寿命。后来我国深刻总结了卫星失效的教训,攻坚克难,大幅提高了我国卫星的抗辐射能力,1999年5月发射的风云一号C星设计寿命2年,却正常服役近5年,打了一个漂亮的翻身仗。

风云一号卫星

电离层暴影响无线电波传播

太阳活动还会导致地球电离层扰动,发生电离层暴现象。电离层是高度60到1000千米的含有带电粒子的大气层区域,随着高度的变化,电离层可以对不同频段的电磁波产生反射、折射及吸收,犹如天空中的镜子。人类正是依赖于这层天空中的镜子进行无线电通信的。

电离层暴发生时,电离层的带电粒子密度、电场分布、磁场分布等均会出现以毫秒为单位的暴发性涨落,其涨落幅度甚至可达80%以上,引起无线电波反射、折射、吸收、色散及多普勒频移等性状快速变化,从而导致通信卫星、导航卫星、遥感卫星的信息受损甚至完全丢失。带电粒子也会轰击卫星的太阳能板,这是使卫星太阳能板性能下降的罪魁祸首,严重者会导致卫星供电不足甚至整星掉电。

电离层内小尺度的带电粒子密度不均匀时,会导致无线电信号的强度、相位等发生波动,这种现象被称作“电离层闪烁”。此外,较大尺度的带电粒子密度不均匀会导致无线电信号折射路径发生弯曲,引起地面跟踪卫星接收信号时发生偏移。各种小尺度、大尺度的电离层暴误差累积,会导致卫星信号的信噪比下降,丢包率上升,造成导航卫星误差增大、遥感卫星图像分辨率降低,甚至导致卫星信号完全中断。例如,2003年10月底发生的万圣节太阳风暴,美国的GPS导航卫星因电离层暴现象被迫停用30小时。2017年9月发生了较强的太阳耀斑事件,美国GPS和我国北斗等卫星定位系统的误差比正常时大了好几倍。我国的南海等低纬度地区是电离层闪烁多发地区,在海事卫星技术不成熟的年代,船舶丢失海事卫星信号是家常便饭。

2012年3月6日由美国宇航局的SDO天文台拍摄到的一次X级太阳耀斑

太空辐射对航天员的危害

处于太空中的航天员也时刻在面临空间天气灾害的威胁。

航天员在太空中要面对潜在的辐射威胁

高能带电粒子可以穿入人体细胞组织中,使体内分子电离,甚至导致DNA等遗传物质受损。细胞的正常功能被破坏,受辐射量较小时会导致内分泌失调等症状,严重者会造成DNA变异甚至细胞癌变。研究人员指出,如果处于太空中的航天员经受卡林顿事件同等级的太阳耀斑事件,很有可能会导致急性放射病,甚至可能导致死亡。曾有出舱活动的航天员报告,他们的眼睛不断出现异常闪光,闭上眼睛也无济于事,经地面分析是由他们的视网膜受高能粒子轰击所致。

因此,空间站的外壁都需要特殊材料以尽量降低太空辐射对航天员的伤害,同时航天员执行任务的时间也不宜过长。

综上所述,空间天气现象成因复杂,不受人们控制的太阳每时每刻都有可能朝地球打一个“大喷嚏”,引起地球磁层、电离层、热层和地面各种物理性状的剧烈变化,对人类社会的平稳运行与健康发展产生威胁。目前对空间天气的研究还在深入进行中,相信有一天我们可以完全掌握空间天气的产生机理及变化规律,面对空间天气事件能够更加游刃有余、坦然自若。

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