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10月29日 空间环境及其保护 （都亨）
主讲人简介
都亨，中国科学院空间中心研究员，早年毕业于北京大学，后继续读研究生班，毕业后分配至中国科学院工作，从事空间环境及其防护的研究。都亨是我国早一代杰出的空间专家。
内容简介
空间环境的影响及其防护，讨论五个方面的内容，一个是人类是怎么样走向空间的历程，第二是空间环境到底是怎么构成的，第三是空间环境对人类到底有什么影响，第四是研究和防护空间环境的问题，第五是保护空间环境。
首先我们先看看环境，所谓环境在《词海》里面有个定义，指围绕着人类的外部世界，是人类赖以生存和发展的社会和物质条件的综合体，可以分为自然环境和社会环境。自然环境中，按其组成要素又可分为大气环境，水环境，土壤环境和生物环境，从这个定义我们可以看出来，在不久以前，人们对空间环境还是没有重视的，但事实上人类在最近几年，对空间环境已经是非常重视了，那么我们可以回顾一下它的历史，在最早人类是在陆地上生存的，在陆地上生活和生产发展，一直到15世纪末，1492年以哥伦布发现新大陆，和我们国家郑和下西洋为标志，人类就扩展到了海洋上，人类开始了征服海洋的历程。海洋在地球表面占了很大的面积，所以，一旦人能够到海洋生活，就把人类活动的区域扩大了很多，那么又经过了几百年，一直到1900年前后，以莱特兄弟驾飞机起飞开始，标志着我们人类进入了大气层，进入了天空，那么经过了，又经过了50年左右，人类在1957年发射了第一颗的人造卫星，从此，就进入了太空，进入了空间。
空间是人类活动的最后的疆域，我们需要认识空间环境，开发空间环境，利用空间环境为人类造福，同时我们也需要为后代子孙保护好空间的环境，给他们留下一个洁净的空间。
全文
大家好，今天我们讨论的问题，是空间环境的影响及其防护，我们今天想讨论这么几个方面的事情，一个是人类是怎么样走向空间的历程，第二是空间环境到底是怎么构成的，第三是空间环境对人类到底有什么影响，第四是研究和防护空间环境的问题，第五是保护空间环境。
首先我们先看看环境，所谓环境在《词海》里面有个定义，指围绕着人类的外部世界，是人类赖以生存和发展的社会和物质条件的综合体，可以分为自然环境和社会环境，自然环境中，按其组成要素又可分为大气环境，水环境，土壤环境和生物环境，从这个定义我们可以看出来，在不久以前，人们对空间环境还是没有重视的，但事实上人类在最近几年，对空间环境已经是非常重视了，那么我们可以回顾一下它的历史，在最早人类是在陆地上生存的，在陆地上生活和生产发展，一直到15世纪末，1492年以哥伦布发现新大陆，和我们国家郑和下西洋为标志，人类就扩展到了海洋上，人类开始了征服海洋的历程，海洋我们知道，在地球表面是占了很大的面积，所以，一旦人能够到海洋生活，就把人类活动的区域就扩大了很多，那么又经过了几百年，一直到1900年前后，以莱特兄弟驾飞机起飞开始，标志着我们人类进入了大气层，进入了天空，那么经过了，又经过了50年左右，人类，在1957年发射了第一颗的人造卫星，从此，就进入了太空，进入了空间，那么我们可以回顾一下，在1900年到1957年50几年之间，人们所能达到的高度，也仅仅是10几公里，但是从1957年开始，人类进入空间以后，我们就大大地扩大了我们的活动领域。
那么我们活动领域到底是什么，可以看出来，在地球以外的整个空间都是我们所指的空间环境，但是 如果说我们从地面上开始，来认识这个问题的话，我们可以知道，从地面到一二十公里，我们还是属于大气环境，也就是说，我们属于飞机能够飞行的环境，只有在几十公里以上，我们才进入我们所谓的空间环境，这张图就可以看出来，在五六十公里以上，我们可以有火箭，有飞机，有航天飞机，有卫星在活动了，这就是我们讲的空间环境，这是过去的历史，我们可以看到人类是从陆地到海洋，到天空再到空间整个过程，再往后我们可以看到，空间是很宽的，是非常非常广袤的，那么这张图上，中间红的是太阳，地球是绕太阳的轨道上运行，那么我们现在所能够达到的空间，还仅仅局限在地球周围一个很小的区域里面，所以我们现在目前讲空间环境，还仅仅是讲近地空间的很小区域，以及影响这个近地空间的整个从太阳到地球之间的日地空间，在这个空间以外，我们可以看到，我们还有太阳系，很大一个太阳系，再往后还有银河系，银河系再外面还有整个宇宙，还有很宽很宽的空间，还有很多很多问题要等待我们去认识，那么我们今天讨论的问题，仅仅是我们地球周围的空间环境，以及它们对人类的影响。
第二问题我们看看我们空间环境是怎么构成的，因为空间环境跟地面环境有很大的差别，我们还是从地面开始，往上来认识这个问题，从地面往上，我们知道，平常有刮风下雨，打雷闪电，都是在对流层里面，就是地球表面以上，10几公里以下的范围里面，在这个范围里面我们都是属于大气环境，再往上我们就有中层大气，还有热层大气等等，这个往上大气是越来越稀薄的，我们平常都有感觉，当我们爬到高山的时候，就感到呼吸很困难，那就大气空气的密度已经很低了，那么气压也很低，所以我们到高山上需要吸氧，需要戴氧气，这个规律一直到高空都是这样，我们可以看到，随着高度的增加，大气的密度是非常快地急剧地减弱，一直到很高很高的空间，那么我们可以看几个例子，如果以地面上大气密度是一的话，那么到18公里高的地方，大气密度将在地面的十分之一左右，到33公里的高度它只有地面气压的百分之一，到49公里它就只有千分之一了，如果到110公里，那里的大气密度只有地面的千万分之一了，越往上，再往高它的密度就更低了，这是我们得到的一个，从日常生活就可以得到一个，大气密度随高度（增加），越来越低的这样一个概念，而且在高空，在空间大气密度是非常非常低的。
另外我们还有一个概念，就是说，我们越往高山爬，就觉得大气温度越来越低，就越来越冷，那这个概念，跟大气密度的概念有点不一样，刚才但是看到大气密度是越往高越稀薄，越少，但是温度可不是这样，我们知道大气越往上，靠近地面的时候，确实随着高度增加，它的温度是直线下降的，我们所谓高处不胜寒，就这个道理，但是到了一定高度以后，再往上去的话，大气温度又开始回升，升到一个，到达一个极大值以后，它又会再度下降，然后再上升，是一个很复杂的一个过程，这个过程，我们根据温度的分布，又可以把属于空间环境这部分大气，又可以把它分成中层和热层，中层大概在80公里以下，再往上就是热层，再更高到300公里以上，那里的气体呢，分子已经很少很少了，再往外面分子气体有可能逃离开地球的引力场，我们就称之为逃逸层，这是我们从熟悉的地球大气往上来了解空间环境。
那么另一方面我们知道地球是受太阳影响的，太阳是给我们提供了光和热，是我们地球生命的源泉，这是没有问题的，但是，太阳影响地球，有三个形式，一个是电磁辐射的形式，一个是太阳风的形式，一个是宇宙射线的形式，这三种形式对地球的近地空间都有很严重的影响。
我们先看太阳电磁辐射，太阳电磁辐射的频谱是很宽的，从能量很高的伽马（射线），一直到波长很长的长波无线电，所以伽马射线是在原子弹爆炸的时候，可以辐射的很强的一种电磁辐射，X射线就是我们日常生活里面做X射线透视所用的波长的范围的电磁辐射，还有，紫外辐射，还有，可见光在电磁辐射里面只占很小一部分，波长更长的还有红外（辐射），我们叫红外的热像，再长就是微波和无线电波，是整个波长范围，那么在这个波长范围里面，其中高能的X射线和紫外辐射对地球的高层大气有非常强的影响，宇宙射线是能量非常非常高的带电粒子，我们可以看到每一个粒子的能量，是从10个兆电子伏到10万兆电子伏，所谓一个电子伏就是说，在电场电位价是一伏的过程中，对一个电子所增加的能量，那就是说要在一个兆电子伏，就是说要在一百万个电位价的电场作用下，电子所获得的能量，这个能量是非常高的，比地面上现有的加速器所能产生的粒子能量都要高得多，它的主要的成分是氢 氦 碳 氮 氧的离子，那么太阳宇宙线在平时是很少的，但是在太阳活动的时候它可以产生很强的高能粒子流，每一次太阳爆发的时候，所喷出的太阳粒子流在地球附近每一个平方厘米上，可以有10亿个高能粒子的照射，对我们在天空运行的卫星会造成很大的影响，太阳宇宙线每一年可以发生10几次之多，这些太阳粒子往往也受到地球磁场的影响，到地球附近，它就进入了北极或者南极，跟高层大气相互作用，就产生了我们现在看到的非常漂亮的北极光，除了太阳影响之外，地球空间还受到一个叫流星体的影响，最近几年狮子座流星雨大家都已经很熟悉了，所谓流星雨，就是很高速的流星体进入大气和大气相互作用所发出来的光叫流星，那么我们看见的流星体已经进入到高层大气了，但事实上，在进入大气之前，它是在围绕太阳的非常扁的这样轨道上运行的，这样一些很小的颗粒，那么这些颗粒速度非常高，它最高可以达到70公里，每一秒钟70公里，那么这些颗粒即使是很小很小，就是说，小（到）像芝麻大的一个流星体打到卫星表面上，都会（给）卫星造成极大的灾难，所以这些流星体，也是我们空间环境里面很重要的，也是很危险的一个成分。
那么总体来讲，我们空间环境的组成，大概可以有这样几种，一个是中性气体，也就是高层大气一个剩余部分，第二是电离气体，也就是等离子体，那么在电离层里面在太阳风里面我们可以看到很多，第三个成分是高能带电粒子，这个粒子包括太阳宇宙线、银河宇宙线和辐射带，它的能量是比地面上加速器的能量要高得多，还有地球磁场以及高速运动的颗粒，也就是流星体，这些就组成我们的空间环境，刚才我们讨论的是空间环境的构成，这样第二个问题。
第三，我们想讨论一下空间环境到底对我们人类有些什么影响，那么我们首先看看高层大气，刚才我们讲了，在100公里以上的高层大气是非常非常稀薄的，但是即使是这样稀薄的大气，对卫星还是有不可忽视的影响，那么当一个卫星在沿椭圆轨道运行的时候，它为什么会一点点往下掉，最后陨落了，主要就是由于高层大气的影响，我们知道，卫星在绕地球运动的时候，它开始可能是个椭圆轨道，椭圆轨道它一个远地点，一个近地点，就说它很大部分在比较高的地方运动，但是到近地点附近，它就到达比较低的高度，我们刚才也知道，大气的密度高度越高，它的密度越低，所以卫星在绕地球一圈的过程中所受到的阻力最大的地方是哪儿呢，就在近地点附近，那么近地点，附近受到的力，它是和高层大气的密度是成比例的，和卫星的截面积是成比例的，这跟我们地面上是一样的，那么在近地点受了力之后，也就是它的速度降低了以后，它的结果是什么，是它的远地点往下降低了，因为在近地点速度降低以后，它的能量降低了，那么它降到远地点的时候，它的位能就降低了，所以它的高度就必然降低，那么它每一次经过近地点的时候都要受一次大气的阻力，那么远地点就要往下降一点，最后一点一点陨落到大气层里面，返回地球，就烧掉了，所以高层大气对卫星的轨道有很重要的影响，这是我们在卫星设计里面所不可缺少的一个因素。
另外我们又知道，在高层大气里面有很多氧，这个氧原子，它腐蚀性很强，当卫星在原子氧的环境里面运动的时候，它要受到剥蚀，那么根据我们的估算，因为航天器运动的速度很高，它每秒钟将近8公里的速度在原子氧的气体里面运动，就相当于把卫星泡在温度非常高的原子氧的气体环境里面，所以它剥蚀是很快的，它剥蚀的厚度每一年可以剥蚀到一毫米，就是根据物质抗原子氧的剥蚀的程度不一样，它是不一样的，最多 受原子氧影响最大的，它一年可以剥蚀到一个毫米，对卫星表面来讲，这个是非常严重的问题。
刚才我们还讲到，由于太阳电磁辐射使高层大气电离以后，它会形成电离层，那么这个电离层对人类有什么影响，我们看看这张图，我们平常知道的，发射无线电波以后，一个电台发射电波以后，它都是沿直线走的，如果说我们在地球背面一个接受站，它就接受不到这个广播信号，也接受不到电磁信号，所以它就没有办法来收听广播，没有办法来收看电视，那么现在有了电离层以后，因为电离层它里面是电子和离子组成的，它对电磁波有折射和反射作用，那么电离层是包围在地球外面，那么我们可以看到，当发射一个短波出去的时候，碰到电离层它就会反射，这样的话我就有可能在地球背面的接收站来接收到无线电台所发出来的电磁波，因此我就可以在地球的背面来收听无线电波，这个仅局限于短波有这个功能，对于电视信号来讲还不行，电视信号，电离层虽然对它有影响，使它的传播路径有点歪曲，但是它可以透过去，所以我还是在地球背面还是看不到电视信号，这个时候，我们就要借助于卫星的帮助，如果我发射一个卫星，（然后）发射电视信号，到卫星上，卫星接收以后，再发射回来，那么我们就可以在地球的背面接受到这个电视信号，这就是现在我们电视转播的一个概念，无论是短波也好，或者电视信号也好，或者其他频率的电磁波也好，我们可以看到它都会受到电离层的影响，那么也就是说，如果说我电离层受到扰动以后，我所有的短波信号电视信号都会受到干扰，那么这张图就表明，如果说我这个电离层受到影响了，或者密度增加了，或者高度降低了，我都会受到通过扰动区的广播信号或者电视信号都会受到干扰，这张图表明，因为电离层在赤道区和在极区都有很大的扰动，这些扰动都会影响（电波传播），除了这些信号以外，包括我们现在的所谓的GPS，就是全球定位系统，通信系统，都是要借助于无线电波在空间的传播，也避免不了这些无线电波通过电离层，因此一旦电离层发生扰动的话，这些定位系统也都会受到影响，除了这个之外，我们刚才讲到，地磁场和太阳风的作用会形成一个磁层，那么太阳风扰动的时候，就会引起磁场的变化，那么磁场的变化我们就知道，就会在一般我们供电线路的变压器里面，感应出来非常强的电流，那么，有一个例子我们可以看到，1989年8月13号早晨，加拿大的一个电力公司，它的北端的供电网发生了事故，一系列断电事故相继发生，不到90秒钟，整个电网就瘫痪了，电力公司损失一千万美元，用户损失几个亿个美元，部分地区停电了几天以上，这个在一个高度发达的国家里面，停电几天，影响是非常大的，那么它的原因，既不是供电系统设计的问题，也不是操作员的失误，而是由于空间环境所造成的地球磁场的迅速变化，它的变化在变压器里面感应的电流使它烧毁了，那么这里可以看出，这张图就是原来变压器的外形，这个是烧毁以后变压器的线圈，所以空间环境的影响对我们的供电系统也有很多的影响。
那么下面我们再集中讨论一下，空间环境对航天器的影响，因为现在自从我们进入太空以后，航天器在我们人类生活里面的作用是越来越重要，一个通信卫星的影响，一个通信卫星的失效，它不但会使通信中断，像1997年美国的一个通信卫星失败以后，不但影响到打电话，看电视，而且，由于通信的中断，造成股市的中断，影响了整个的经济生活，所以航天器的安全是非常重要的，那么空间环境对航天器的影响刚才我们也看到了，也是非常严重的，归纳起来，大概有这样几种影响，我们刚才讲到了地球高层大气，有原子氧，有地球磁场，有银河宇宙线，有太阳宇宙线，有地球辐射带，有地球电离层，还有磁层里面等离子体，还有流星体，还有太阳电磁辐射，等等这些天然的因素，那么这些因素可能造成（对）卫星轨道的影响，刚才我们讲了，地球高层大气可以使卫星的轨道