各國(guó)空間站和衛(wèi)星，為什么都扎堆在400公里高度軌道上？

不久前，我被問(wèn)了一個(gè)非常有意思的問(wèn)題，為什么我們的天宮空間站和國(guó)際空間站一樣，都選擇了接近400公里高度的軌道？400公里這個(gè)高度有什么特殊之處嗎？

這個(gè)觀察特別細(xì)致。實(shí)際上，運(yùn)行在幾百公里高度的衛(wèi)星還有很多，這也是人造衛(wèi)星分布最密集的一個(gè)空間區(qū)域。舉個(gè)例子，大名鼎鼎的哈勃太空望遠(yuǎn)鏡，高度也在500公里左右。所以人們必須時(shí)刻監(jiān)控著這個(gè)區(qū)域中的各個(gè)航天器，包括太空垃圾，以免它們發(fā)生碰撞。

那么為什么我們不把衛(wèi)星軌道設(shè)計(jì)的更分散一些，降低它們發(fā)生碰撞的概率呢？比如，我們把衛(wèi)星軌道降低一些會(huì)怎樣？其實(shí)很好想象，因?yàn)榇髿饷芏入S高度是指數(shù)下降的，所以如果衛(wèi)星軌道降到300公里以下的話，大氣的阻力就會(huì)顯著增強(qiáng)，衛(wèi)星的速度會(huì)迅速降低，導(dǎo)致衛(wèi)星繼續(xù)降低高度，直至墜毀。那么，我們可以把衛(wèi)星軌道設(shè)計(jì)的更高一些嗎？

這個(gè)其實(shí)是可以的，確實(shí)也有一些衛(wèi)星在更高的軌道上運(yùn)行。不過(guò)這個(gè)時(shí)候我們就會(huì)面臨另一個(gè)威脅，就是太空中的輻射。說(shuō)起來(lái)，輻射并不是一個(gè)多神秘的事情，我們每天日常生活都會(huì)接觸到各種各樣的輻射。太陽(yáng)光，無(wú)線通信，這其實(shí)都是輻射。但在這種輻射中，每個(gè)光子的能量非常小，對(duì)我們沒(méi)有什么危害。但更高能量的粒子，比如X射線的光子，或者太空中的高能帶電粒子，它們的能量足以把原子電離，也就是說(shuō)，把原子中的電子打出來(lái)。人如果暴露在這種電離輻射的環(huán)境中，就會(huì)導(dǎo)致中樞神經(jīng)的損壞和骨髓造血功能的破壞，也會(huì)增加患癌癥的幾率。高能粒子也會(huì)導(dǎo)致衛(wèi)星元件的充電和放電，直接損壞儀器，有時(shí)還會(huì)造成一些元件電位狀態(tài)的跳變，比如從0變成1，或者從1變成0，導(dǎo)致計(jì)算結(jié)果錯(cuò)誤，運(yùn)氣不好的話也會(huì)造成系統(tǒng)的崩潰。所以這些粒子有時(shí)也被稱為衛(wèi)星的“殺手”粒子。

配圖來(lái)自圖蟲網(wǎng)

在地球附近的太空中就存在著大量的高能粒子，這個(gè)區(qū)域被稱為輻射帶。事實(shí)上，輻射帶是人類進(jìn)入太空時(shí)代之后的第一個(gè)科學(xué)發(fā)現(xiàn)。大家知道，在上個(gè)世紀(jì)的五十年代，蘇聯(lián)和美國(guó)相繼發(fā)射了人造衛(wèi)星，開始了太空爭(zhēng)霸。在最早的一些衛(wèi)星上，不管是蘇聯(lián)還是美國(guó)，都安裝了一種專門測(cè)量電離輻射的粒子探測(cè)器，叫做蓋格計(jì)數(shù)器。很快，美國(guó)科學(xué)家范艾倫就發(fā)現(xiàn)，太空中的輻射劑量遠(yuǎn)遠(yuǎn)超出了之前的想象，甚至超出了蓋格計(jì)數(shù)器的量程。所以人們后來(lái)就用范艾倫的名字為輻射帶命名，稱為范艾倫輻射帶。

現(xiàn)在我們知道，范艾倫輻射帶中的高能粒子實(shí)際上是被地球磁場(chǎng)束縛在地球附近的太空中，并在兩個(gè)磁極之間來(lái)回彈跳的。當(dāng)然，這些高能粒子不太容易到達(dá)地球表面，一方面是因?yàn)樵娇拷厍虼艌?chǎng)越強(qiáng)，這些粒子很容易被反彈回去，另一方面則是因?yàn)榇髿鈱拥拇嬖?，這些粒子會(huì)與大氣分子或原子發(fā)生碰撞，損失能量。所以總體來(lái)說(shuō)，隨著高度的上升和大氣密度下降，這些太空中的高能粒子會(huì)迅速增多，對(duì)衛(wèi)星和航天員造成巨大的威脅。

所以，大家會(huì)盡量讓衛(wèi)星不要飛得太高，避免輻射帶的影響。當(dāng)然也不能太低，不然容易墜毀。那么幾百公里的這個(gè)高度就成為了最理想的軌道。但有時(shí)候人們必須要讓衛(wèi)星飛去更遠(yuǎn)的地方，比如去月球，或者需要固定在地球某一個(gè)點(diǎn)的上方，也就是抵達(dá)三萬(wàn)多公里高度的地球同步軌道，那就必須要更加嚴(yán)肅的考慮輻射的問(wèn)題了。當(dāng)然我們可以增加防護(hù)裝甲厚度，但畢竟航天器的重量有限，不能無(wú)限增加裝甲。所以人們需要對(duì)輻射帶有更深入的理解，比如說(shuō)，這些粒子的來(lái)源是什么？它們是如何獲得加速的？它們?cè)谔罩械姆植际窃趺礃拥模?/p>

還有，如果發(fā)生了太陽(yáng)活動(dòng)，這些高能粒子的分布會(huì)有怎樣的變化？現(xiàn)在全世界主要的航天大國(guó)都在開展這方面的研究，我國(guó)也推出了空間天氣預(yù)報(bào)服務(wù)，其中就包括了輻射帶高能粒子的分布。這樣在關(guān)鍵的時(shí)候，我們可以做一些特定的規(guī)避動(dòng)作，或者至少可以關(guān)閉一些儀器，避免更大的損失。

畢竟，我們不能讓這些小小的粒子，擋住我們奔向星辰大海的腳步。

本文為科普中國(guó)·星空計(jì)劃扶持作品

作者：周煦之

審核：劉勇（中國(guó)科學(xué)院國(guó)家空間科學(xué)中心研究員）

出品：中國(guó)科協(xié)科普部

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