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空间天气研究护航天宫一号

2011年09月28日 星期三 09:52:37 来自: 《科学时报》 作者:张双虎

天宫一号发射在即。然而,它将经过“空中百慕大”——南大西洋异常区。那里是“杀手电子”的出没地带,谁能为它保驾护航?

随着太阳活动峰年期的临近,太阳风暴吹袭地球将首先使地球空间最外层的磁层空间发生剧变,这些变化会进一步影响近地空间的电离层和中高层大气变化。恶劣的空间天气变化甚至会导致卫星信号中断、GPS导航定位失效以及卫星坠落。美国天空实验室曾因没有充分估计大气阻力增加而提前两年坠毁,此后哥伦比亚航天飞机又遇类似问题,由于应对措施得当而幸免于难。

“空间天气研究的进步发挥了保驾护航的作用,磁层天气基础研究为天宫一号这类近地轨道航天器保驾护航打先锋。”中科院院士、空间物理学家魏奉思对《科学时报》记者说。

追踪“杀手电子”

“天宫一号的轨道正好经过我们研究的辐射带外沿,那是一个特别容易出现问题的地方。”北京大学教授宗秋刚在接受《科学时报》记者采访时说,“大多数卫星不可逆的损伤是由‘杀手电子’造成的,仅磁层的动力学变化就会直接影响到航天器的安全。”

在地球辐射带(又称范艾伦带),大量高能粒子被地球磁场俘获而形成了一个环绕地球的高能粒子辐射区。这些电子个头小,能量高,穿透力非常强,在磁暴发生时能量会增加两三个量级(100或1万倍)。如果这些高能电子的能量足够高,就可穿透航天器的防护罩,引发微型电火花。近年来多起重大航天事故都是由于高能电子深层充放电引起的,辐射带能量质子及重粒子会改变卫星微电子器件的状态,从而使航天器发生异常或故障,如单粒子翻转(SEU)等。它们也会使功能材料的性能下降,并对进行太空行走的宇航员的安全产生极大威胁。所以这些高能电子也通常被称为“杀手电子”。

与地球上著名的事故高发区百慕大相对,在近地空间也有一个南大西洋异常区。那里地球磁场特别弱,挡不住来自太阳的高能粒子。因此那里的粒子通量特别高、辐射剂量大,“杀手电子”十分活跃。

“破解‘杀手电子’产生机制是内磁层动力学研究的一个方面,航天器发射时要避开磁暴或粒子辐射活动强的时段。经过南大西洋异常区要采取特殊的保护措施。比如,最简单的防护措施就是安全模式。让主机在高能粒子穿过时暂时关闭一些系统功能,等高能粒子充放电结束后再开启。”宗秋刚说,“全球90%以上的卫星在内磁层(近地轨道的地球空间)活动,这一研究也为神舟系列、各种卫星、天宫一号等安全运行提供了基础。”

发现磁重联前兆信号

除“杀手电子”外,作为磁层亚暴能量来源的磁场重联也对地球空间天气有重要影响。

磁场重联是磁力线上磁场能量突然释放,并向外抛出高速粒子流的过程。地球磁尾等离子体片磁场重联是太阳风能量在磁层中突然释放的过程,是磁层亚暴能量的来源。但磁场重联在什么条件下触发一直是一个困惑科学家的难题。

2002年8月21日,欧洲空间局Cluster计划的4颗卫星穿过地球空间一个重联区。北京航空航天大学空间科学研究所教授曹晋滨团队首次观测到重联发生前的哨声波。

“由于哨声波能够为磁场重联触发提供所需的反常电阻,所以我们的发现推动了重联触发机制研究的发展,是重联研究的一个重要突破。”曹晋滨对《科学时报》记者说。

该研究结果引起了国际磁层物理研究界的高度重视。欧空局Cluster计划首席科学家Phlippe Escoubett博士评论说:“这个结果必将指引科学家们建立一个更好的重联模型,因为这样详细的空间磁场重联观测非常罕见。”

地球磁暴和天宫一号

地球磁暴是天宫一号运行安全保障必须考虑的重要内容。产生地球磁暴的根本因素是磁层环电流的快速增长。而等离子体片离子是环电流粒子的种子离子。所以等离子体片内边界模式在环电流建模过程中起着重要作用。此外,等离子体片内边界的地向移动经常引起同步轨道卫星充电,导致卫星出现故障甚至报废。到目前为止,还没有一个等离子体片内边界的全球模型。曹晋滨等人最近利用中国双星计划TC-1号卫星探测数据,建立了国际上第一个等离子体片内边界的全球模型。该研究结果2011年发表在国际地球物理核心刊物欧洲《地球物理年刊》上。目前,中国科学院空间环境研究预报中心正在开展该模型的工程化工作,以便用于同步轨道卫星充电的日常预报和警报。

掌握磁层结构和演化

磁层是卫星和航天器的主要运行区域。在我国,源于内磁层的空间天气灾害已成为影响我国空间经济和安全的重大灾害。我国航天故障约40%源于空间天气灾害(和美国大致相同)。如风云1B、亚太二号通信卫星等的失效,“北斗一代”、“尼日利亚”等多颗卫星受影响,不少卫星寿命短于预期等等。如果发生类似于1859年的超强磁暴,空间天气灾害造成的损失将十分严重。我国许多在轨卫星有可能失灵,导致通信、导航中断;探月和载人航天项目也有可能受到影响。

“对天宫一号影响较大的是辐射带的高能粒子。另外,高层大气的中性粒子冲撞会产生阻力。磁场在空间中发挥重要作用,空间粒子的运动会产生磁场,磁场又能转换粒子的热能、动能,加速粒子运动。”中科院空间科学与应用研究中心研究员沈超说,“我们对近地空间的结构进行建模,模拟各种航天器在磁层中的运动,可能会遇到什么情况,受到什么影响,怎样应对。这是对航天器安全很重要、很基础的一个方面。”

为航天安全护航

过去十年中,我国学者利用中国双星计划,国际重大磁层探测Cluster计划等数据,对近地空间的磁层展开了系统的理论和观测研究,取得了在国际上有影响力的一批重要成果。

今年7月,为加快原始创新步伐,锻炼优秀领军人才,早日实现空间天气科学跨越发展目标,国家自然科学基金委地球科学部优先发展领域“日地空间环境与空间天气”学科指导与评估小组倡导以亮点研究方向为指导,加强学科交叉,深化优势亮点研究,集成升华取得更有系统性、更有影响力的突破。

在内磁层研究方面,目前已形成了“内磁层动力学和波—粒相互作用”和“磁层结构与演化建模研究”两个亮点研究方向。我国空间天气研究领域正集中优势力量,开展全局性和系统性的研究,为在下一个十年实现从跟踪模仿向自主原创、引领发展的跨越吹响号角。



 

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