航天员出行要看太空的“脸色”

图文:中国数字科技馆 | 2016-11-28

导语:
  今年九月中旬和十月中旬,天宫二号空间实验室和神舟十一号载人航天飞船将先后择机发射,搭载着中国航天员的飞船将再次傲游太空。但是你知道为什么天宫二号和神舟十一号要择机发射,而不是选定一个“良辰吉日”吗?这里面可大有说头,其中一个重要的因素就是“空间天气”,需要特殊强调的是,空间天气跟我们平日常说的“天气”可不是一回事儿,空间天气的好坏,直接决定了航天员能否在太空旅行中顺利出行、平安返回。所以说,航天员出行前还真是不得不看看天空的“脸色”。本期微专栏,让我们一起来了解一下神秘的空间天气吧。

恶劣的空间天气从哪里来?

  空间天气指太阳上和太阳风、磁层、电离层和热层中能影响空间、地面技术系统的运行和可靠性,以及危害人类健康和生命的状态

  我们的日常生活与天气息息相关,好的天气能让人心情舒畅,而坏天气不但会给人们的外出带来种种不便,还可能引发各类自然灾害,造成巨大的损失。与日常天气一样,空间天气也有恶劣的时候。太空中的“疾风骤雨”,来自于太阳风暴。太阳黑子之上,存在着日珥、活动区等复杂的磁场结构。磁场在太阳光球运动的作用下不断扭曲、缠绕,逐渐累积能量,有如射手拉紧弓箭的的弓弦。当能量累积到一定程度时,就会突然释放,形成太阳耀斑和日冕物质抛射,将太阳表面大量的物质和能量像离弦的箭一样射向太空中。

  如果用肉眼不可见的极紫外波段观测太阳,呈现的是和我们平时印象中的太阳完全不同的景象。图中比较亮的区域是孕育太阳风暴的活动区,而黑色的区域则是快速太阳风的发源地冕洞

  图片来源: Solar Dynamics Observatory

  剧烈的太阳风暴,会向太空中射出三支“弓箭”。第一支弓箭是强电磁波,以光速飞行,在太阳风暴爆发8分钟后打击地球。在强电磁波的作用下,地球电离层发生扰动,距离地面100-1000 Km 的高层大气的密度增加。第二支弓箭是太阳耀斑所产生的高能带电粒子,它在太阳风暴爆发几十分钟后打击地球。这些高能粒子的能量可以达到MeV(兆电子伏特)级别,足以穿透航天器的保护层,干扰航天器的电子元器件正常工作。太阳风暴的第三支弓箭,给了地球 1到 4天的喘息时间,随之而来是每秒奔驰数千公里的日冕物质与它携带的日冕磁场。这些物质中单个粒子的能量,虽然不如第二支弓箭那么强,但携带的日冕磁场像一把“钥匙”,可以通过与地球磁层顶磁场的重连,打开地球的 “护甲” ,将物质和能量源源不断的输入到地球的磁场中,触发整个地球磁场的剧烈扰动,也就是地磁暴。

  太阳动力学天文台(SDO)卫星观测的太阳活动区复杂的磁场结构

  图片来源: Solar Dynamics Observatory

空间天气如何影响载人航天?

  1973年,当美国第一艘空间站“天空实验室”成功在太空中开始运行时,NASA的科学家预计它能在太空中工作十年,而英国科学家Desmond King-Hele在考虑了太阳风暴对地球的影响后,预言天空实验室只能运行到1979年。果然,在1979年7月,轨道不断下降的天空实验室最终坠入地球大气层,提前结束了使命。原来,飞船、空间站虽然已经进入太空,但它们与地面的距离一般只有几百公里,在它们的轨道上仍然存在着稀薄的大气。空间天气恶劣时,太阳的强电磁辐射和地磁暴都会引起轨道上大气密度的增加,从而使飞船、空间站受到的阻力增大,飞船的轨道下降的更快。据估算,如果天宫二号和神舟十一号碰上了强太阳风暴,轨道高度下降的速度最大会比空间天气平静时高10-20倍。为了维持飞行高度,就需要频繁打开发动机,为飞船注入新的动力,消耗飞船携带的有限的燃料。同时,天宫二号和神舟十一号的交会对接对飞船轨道的控制和预报的精度要求非常高,在空间天气恶劣期间,空气阻力的变化使二者的轨道偏离预先的判断,地面控制系统将不得不花费更多时间调整它们的轨道。

  神舟飞船与天宫空间实验室对接示意图

  1991年2月,太阳风暴产生的高能粒子穿透了风云一号B气象卫星,使卫星上的姿态控制计算机出现故障,卫星刚刚在太空中工作半年就提前报废。高能带电粒子通过轰击电子器件,在其径迹上传递其能量,引起微观变化。如果高能带电粒子穿过保护层,击中天宫二号、神舟十一号中电子芯片的敏感区,则有可能改变器件中的信息,造成设备的运行异常,使控制飞船运行的计算机“死机”甚至彻底损坏。相比于飞船和空间站的外壳,航天员在出舱活动时穿着的航天服保护能力有限。如果航天员在空间天气恶劣期间出舱行走,他的身体将暴露在高能粒子的辐射下,可能对航天员产生生物辐射损伤。

  神舟和天宫的测控信号是高频电磁波。从地面测控站到飞船和空间站的传播过程中,无线电信号要穿过地球的电离层。在空间天气恶劣期间,电离层的物理特征会发生比较强烈的变化,如果在飞船测控作业中不考虑这个变化,将难以正确捕捉到飞船的准确位置。同时,宇航员与地面之间的通信、飞船向地面传送数据、地面控制系统对飞船发送的指令都需要无线电波承载。电离层的变化,也会对这些工作产生影响。

太空的“脸色”谁知道?

  我们每天都可以收到气象台发布的天气预报,而空间天气同样也是可以预报的。目前,地面上的太阳望远镜和太空中的太阳观测卫星,已经能够不间断的监视太阳表面的情况。根据我们对太阳风暴产生机制的认识和特定时间太阳上的磁场结构,空间天气预报员可以借助预报模型来预报太阳风暴是否可能发生,对地球会产生怎样的影响。

  日冕物质抛射从太阳上爆发后,被STEREO卫星的日冕仪发现。SDO、STEREO、SOHO等太阳观测卫星是我们进行空间天气预报的观测工具 图片来源:STEREO

  目前,我国的空间天气预报主要由中科院、中国气象局的研究预报机构发布。在发射前,他们要对发射窗口的空间环境进行详细的分析和预测,给出预计发射窗口的空间环境安全的预报结论。飞船在轨飞行期间,他们要不间断的监测空间天气情况,一旦有太阳风暴发生,他们在做出预报的同时还要评估太阳风暴对飞船各系统的影响,指导航天部门采取正确的应对措施。神舟九号发射前两天,太阳突然爆发日冕物质抛射(CME)。预报人员准确预报了这次太阳风暴到达地球的时间,并判断太阳风暴引发的地磁暴强度为小到中等,保障了飞船的正常运行。

  中国科学院空间环境研究预报中心的环境预报大厅,每当有重大航天活动时,一份份空间天气预报将从这里发出

  图片来源:中国科学院空间环境研究预报中心

  (文章作者:中科院空间中心博士研究生 李会超 | 编辑:卢冉)

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