空间天气如何影响“神七”运行
来源:中国气象报社   发布时间:2008-09-25
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  当利用无线电电磁波进行远程通信、卫星导航定位和测控时,频率不同的电波信号会在不同程度上受到电离层的折射、反射及吸收。在太空中,电离层会双向影响到“神七”的畅游。

  首先,电离层会通过“附加延迟”和“闪烁”来影响卫星的导航定位和测控等功能。卫星超高频导航定位信号在电离层中传播时会被电离层折射,传播路线是略有弯曲的曲线而非直线,这一曲线的长度与卫星到观测台站之间的直线距离之差,即为电离层的附加延迟,电离层的附加延迟是目前GPS导航定位最大的误差源。电离层闪烁是指由电离层内不均匀体导致的无线电信号相位和幅度快速的起伏和抖动,它会影响卫星的导航定位,甚至导致信号的失锁。

  而在通信上,短波信号会被电离层反射,当短波通信所用频率超过了一定范围,信号将穿过电离层,射向外太空,导致地面接收不到信号。目前处于太阳活动低年,电离层临界频率很低,当发生电离层暴时电离层临界频率会进一步降低。

  当发生大的太阳耀斑时,电离层D区会发生异常吸收,造成频率由低到高逐渐中断,此时,应使用较高的通信频率。

空间碎片:航天器致命的威胁

  空间碎片,是指人类在空间活动过程中遗留其中的废弃物。到目前为止,数千个大型物体、数万个中小型物体和数千亿的微粒物质被遗留在外层空间,它们除了导致微流星体的危害外,还在地球周围形成了人造的空间碎片层。

  空间碎片的撞击会对航天器的运行构成严重危害,多数情况下,这些危害都是致命的。而各种不同尺寸的空间碎片会对航天器的不同部分产生多种类型的损害:微小碎片累积效应会改变敏感元件的性能;撞击产生的等离子体会破坏航天器供电系统;航天器受较大空间碎片撞击会导致穿孔、容器爆炸、破裂、甚至结构解体。

  此外,航天员在进行舱外太空行走时,也受到空间碎片的威胁。速度为10公里/秒的0.5毫米的碎片就可以穿透标准的航天服,造成人员伤亡。

  目前,空间碎片已对人类的航天活动造成了一定影响——美国航天飞机平均每次飞行都要更换1.41块舷窗;和平号空间站曾经由于舷窗被碰坏,无法拍摄高质量的地球表面照片;由于空间碎片的撞击,某些卫星的星体表面嵌入了直径为几毫米的残片。

  300公里到2000公里之间是空间碎片密度最高的区域,“神七”的飞行轨道就处于此区域。因此,监测空间碎片是“神舟七号”飞船空间天气保障的重要内容。

高层大气:不容轻视的阻力

  由于“神舟七号”在低地球轨道运行,再加上飞船体积庞大,大气阻力不可忽视。一般情况下,大气的密度决定其阻力,尽管在飞船的轨道设计中已经考虑了这一因素,但是高层大气密度会因为突发性空间天气事件的发生而出现意想不到的变化,从而影响飞船的飞行轨道,并对定轨造成影响。

  能引起高层大气密度变化的突发性空间天气事件是地磁暴。地磁暴期间,飞船轨道的大气密度会升高一个数量级以上,飞船的阻力大大增加,导致飞行速度放缓,飞行轨道迅速下降。2003年10月底,地磁暴就造成“神舟五号”的留轨舱轨道高度下降300米,若没有及时进行轨道维持,飞船会提前陨落了。

  地磁暴的源头可以追溯到太阳活动。太阳上突发性的大爆发或是冕洞均会引发地磁暴。根据8月27日国家空间天气监测预警中心预报的结果,9月19日前后地磁活动可能活跃,10月2日前后可能出现小磁暴,其余时间地磁活动以平静为主,根据推算,10月初的高层大气密度会有所增加。

  神舟飞船飞行期间,许多实验需要机密定轨,因此,高层大气监测预报的主要任务是密切监视轨道大气的演化,推算轨道的动态变化,为神舟七号的顺畅运行提供有力的保障。

空间辐射:航天员的健康“杀手”

  空间辐射包括X射线、紫外线以及各种高能带电粒子,这些辐射通过大气到达地面前已大大减弱,对人类的健康不会形成什么危害。但在“神舟七号”的飞行高度上,大气层的防护大大减弱,空间辐射就成了航天员健康的潜在“杀手”。

  为了保护航天员的安全,飞船的船舱已经考虑了抗辐射能力。而航天员在舱外进行太空行走时,必须穿着制作精良的航天服,以避免直接暴露于复杂的空间辐射环境下。

  为了最大限度减若空间辐射,即便航天服的抗辐射能力很强,合理的出舱时机仍然很重要。例如,在“神七”的飞行高度上,空间辐射强度并不是一成不变的——大部区域辐射通量相对较低,但南大西洋异常区空间辐射通量会大大增高。

  显然,通过对空间辐射环境的实时监测并配合轨道计算,就可以使航天员在空间辐射通量较低的环境下进行舱外太空行走,从而避免航天员在南大西洋异常区进行舱外活动。

  此外,在太阳活动爆发期,空间辐射的通量将大大增强,在这种瞬间增加的空间辐射下,航天器以及航天员都会经受空间辐射的考验。

  在2006年12月13日的一次较大的太阳活动爆发中,美国宇航局就曾紧急命令正在太空行走的航天员进入空间站,以躲避空间辐射增加所可能造成的伤害。(来源于2008年9月25日《中国气象报》 作者:宗位国)