《科学世界》10月文章:天作之合的双星计划 | ||||||||||||
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http://www.sina.com.cn 2003年10月20日 18:38 科学世界杂志 | ||||||||||||
今年年底,中国科学家自主提出的“双星计划”的两颗探测卫星之一将要升空了。这是我国空间物理探测方面一项重要计划,它与欧空局的“星簇计划”紧密合作,将实现人类第一次对地球空间的六点立体探测。随着日地空间探测和研究的发展,人类将能够预报地球空间的“暴风雨”,无忧地遨游太空了。 记者/唐云江
人类活动的空间随着人类文明的发展逐渐扩大,先是从陆地发展到海洋,而后又从地表发展到深空。人类的足迹所到之处总要面对环境带来的危险,为了防范和降低危险,人类必然要了解和研究所处的环境,以便找到应对的手段。现今人们已经能够准确地掌握海洋和大气的运动规律,比较准确地预报像暴风雨这样的灾害天气,大大减少了自然灾害带来的生命和财产损失。 继陆地、海洋和大气层之后,近几十年来人类的活动范围已经快速地延伸到了地球空间(geospace),这个区域已成为与人类活动息息相关的“第四区域”。它是人造地球卫星、载人航天、航天飞机与空间站的飞行区域,是目前人类开发和利用太空资源、从事对地观测与太空科学试验、进行太空军事进攻与防御的主要活动区域。对于这个区域的环境我们还知之不多,表面上看这个区域似乎风平浪静,实则潜伏着各种危机。突发的“空间暴”常常令空间飞行器猝不及防,同时也直接威胁宇航员的生命安全。例如,迄今为止已发生的6000多起卫星故障中,大约40%是由空间环境异常引起的。为了降低损失,研究地球空间的物理特性摆在了人们的面前。但这是一项艰巨而复杂的工作,因此在1993年,几个空间强国的空间机构(美国、日本、欧空局和俄罗斯)联合起来,开始实施了ISTP计划(国际日地物理计划),它是20世纪的一项空前规模的国际合作空间探测计划。到1996年为止,ISTP计划在地球空间共发射了四颗探测卫星,其中有美国发射的极区卫星(Polar)、日本与美国合作发射的磁尾卫星(Geotail)和俄罗斯发射的两颗Interball卫星。这些探测活动都是单卫星探测,可以说是一维探测,只能探测大尺度空间物理特性。 在这项计划中最引人注目的是欧洲空间局(ESA,简称欧空局)实施的星簇(Cluster)计划,它由四颗同样的卫星构成,装载的探测仪器也是一模一样。四颗卫星在空间形成了一个四面体,相当于一颗巨大的卫星,可探测空间环境的三维小尺度时空结构和时空变化。这是空间探测中一个里程碑式的计划,不幸的是,1996年6月4日在欧空局的法属圭亚那发射场发射时,由于阿丽亚娜5型火箭飞行程序软件的事故,致使发射失败,发生了爆炸,历经10年研制的阿丽亚娜5型火箭和它携带的四颗Cluster卫星,全部化成了碎片。这一事件对ISTP计划造成了很大影响。鉴于Cluster在日地空间探测中的重要性和领先地位,在Cluster第一次发射失败后,欧空局立即决定,在原Cluster的基础上,重新启动新的Cluster计划,称为ClusterⅡ,仍包括四颗卫星,其轨道和有效载荷与原来Cluster相同,最终于2000年发射成功。 原有的四颗卫星和Cluster在整体轨道布局方面存在着一些局限性,其主要弱点是这些卫星的远地点都比较远,不宜探测近地磁层的重要活动区,即对航天活动有重要的影响的磁层亚暴、磁层和粒子暴的发生区。 1997年1月,由中国科学院空间科学与应用中心刘振兴院士牵头,不失时机地提出了地球空间双星探测计划。一颗赤道区卫星,一颗极区卫星,形成一对姊妹星座,姊妹联手覆盖了整个近地磁层区。这一计划填补了ISTP计划的空白,成为ISTP计划的重要组成部分,使中国跻身于世界空间探测大国的行列。 地球空间不平静 地球是一个大磁体,其产生的磁场就像来自于一个巨大的磁棒。在高空中受到太阳风的影响,因为太阳风是一种等离子体,所以它也有磁场,太阳风磁场对地球磁场施加作用,好像要把地球磁场从地球上吹走似的。但是地球磁场有效地阻止了太阳风的长驱直入,由于太阳风对地球磁场的挤压,地球磁场产生了变形。在地球磁场的反抗下,太阳风绕过地球磁场,继续向前运动,于是形成了一个被太阳风包围着的、像慧星状的地球磁场区域,这就是磁层。 地球磁层始于地面600~1000公里高处,向外延伸到磁层边缘。磁层的外边界叫磁层顶,朝向太阳的一面地磁层顶离地心约5万~7万公里。在太阳风的压迫下,地球磁力线向背着太阳一面的空间延伸得很远,形成一条长长的尾巴,称为磁尾。在磁尾中,有一个特殊的界面,在界面两边,磁力线突然改变方向,此界面称为中性片。中性片上的磁场强度微乎其微,厚度大约有1000公里。 由于太阳风以高速接近地球磁场的边缘,便形成了一个无碰撞的地球弓形激波的波阵面(舷激波)。波阵面与磁层顶之间的过渡区叫做磁鞘,厚度约为2万~2.5万公里。在太阳风的持续作用下,地球磁场一直保持着彗星状的相对稳定状态。 在地球空间环境中除了磁层之外,在地球中、高层大气中还有对人类空间活动影响较大的电离层和热层。在60~1000公里的高度,大气在太阳紫外线的作用下,成分开始电离,形成大量的正、负离子和自由电子,故称电离层。在300公里高度,电离层中的电子浓度达到最大值,平均每1000个分子中有1个被电离,即电离度为1‰,每立方米的电子浓度约为1011个。按照电子密度的大小,电离层自下而上又可分为D层(60~90公里)、E层(90~140公里)、F层(140~500或1000公里)。电离层的各层可以发射不同波长的电磁波,对无线电通信很重要。 高度约从80~500公里的大气中存在一个热层,热层大气直接吸收太阳辐射而发生光化学反应获得能量,所以温度很高,并随高度递增。据人造卫星观测,300公里高度的气温高达1000℃以上。由于太阳风和地球磁场相互作用而保持一种动态的平衡,所以太阳的活动以及行星际的扰动,都会使地球磁场发生改变,从而使地球空间发生爆发性的剧烈扰动。我们将这些扰动统称为地球空间暴(geospace storms),主要是磁层亚暴、磁暴、磁层粒子暴,以及由磁暴引起的电离层暴和热层暴,它们是地球空间最主要的空间灾害天气。 地球空间暴的形成和演化是地球空间天气过程的主要形式,是太阳风—舷激波与磁鞘—磁层顶边界层—磁尾—内磁层—极区电离层—热层的链锁变化过程和多空间层次的耦合过程。地球空间全球性的大尺度结构和动力学特性,往往由发生在各层次间边界区的小尺度过程所控制。地球空间暴多层次的耦合,主要是经过长时间、大尺度的能量积蓄,然后通过短时间、小尺度的突变过程实现的,其驱动、触发和演化是多种因素相互作用的结果。 目前,对地球空间边界层区(包括舷激波、磁鞘区、磁层顶、极光加速区、等离子体片及其边界层)的三维结构和动力学过程尚不清楚,对磁层亚暴触发机理及其与电离层、近磁尾、中磁尾活动的关系还不了解,因而无法建立起全球和三维磁层变化的数学模型,也就无法准确地预报空间暴的发生。ISTP计划主要解决的就是这些问题,而双星与ClusterⅡ的4颗卫星的联合探测是这个计划中的杰作。 翩翩四仙子 2000年7月17日,欧空局用俄罗斯的火箭成功地将Cluster II计划中的两颗送上太空,8月7日,又发射了余下的两颗。四颗卫星在空间编队,形成一个立体布局的整体,共同绕一个近地点为19000公里、远地点为119000公里的极区轨道运转,绕地球一周57小时。Cluster II轨道穿过舷激波、磁鞘区、磁层顶电流片和边界层、极隙区、磁尾中性片、等离子体片边界层,使人类第一次有可能对引发地球空间暴驱动过程的小尺度三维动力学进行直接的探测研究。ClusterⅡ每颗卫星载有11个探测仪器,四颗卫星共有44个探测仪器,这些仪器同步测量,可获得时间分辨为4秒的大量探测数据。 ClusterⅡ是ISTP计划中的核心卫星,它可探测边界层的细微结构。空间边界层如大气中冷暖气流的锋面,两边具有不同的物理性质。而四颗卫星可以同时处在地球空间具有不同性质的区域,这样就可以测知边界层的特性和结构。 更令人惊叹的是,四颗卫星都可进行姿态控制,可根据探测需要在一定的范围内调整它们相互之间的位置和距离。他们在空间中时而分离,时而聚拢,就像四位仙子在翩翩起舞。正因如此,欧空局将这四颗卫星分别用四种舞来命名,它们分别被称为Salsa(萨萨)、Samba(桑巴)、Rumba(伦巴)和Tango(探戈)。 从ClusterⅡ已经发回的大量数据看,它确实是观测研究磁层边界层小尺度结构的强有力的工具。 双星巡游太空 双星计划是我国科学家独立提出来的具有创新特色的空间物理探测计划,它的开展有两方面的原因。一是国家科技的发展与需求,推动着科学的发展。我国是空间大国,并不是空间强国。空间技术,比如运载火箭技术已经达到了国际先进水平,但空间科学相对来说还比较薄弱。二是由当前各国的空间技术总的发展趋势导致的。《中国的航天》白皮书把航天分为三大块:空间技术,空间应用和空间科学。三者相辅相成,缺一不可。空间科学是其他两块的基础。空间科学探测带动着空间技术和空间应用的发展,它具有前瞻性,需要的技术往往超出现有的状况。美国于20世纪60年代进行的阿波罗计划,全面推动了美国航天以及其他各方面技术的发展。刘振兴院士说:“我们也必须提出具有创新特色的空间计划。” 实际上,中国空间物理界的科学家们普遍认识到,当前阻碍中国空间物理发展的主要因素之一是缺乏自己的空间探测数据。刘振兴院士早在1993年就曾提出过与Cluster等卫星相配合的“星链计划”,1997年1月,他又在星链计划想法的基础上,提出了一个“地球空间双星探测计划”(简称双星计划)。 双星计划包括两颗卫星:近地赤道区卫星(550~60000公里,倾角28.5º)和近地极区卫星(700~40000公里,倾角90º)。这两颗卫星密切配合,形成了具有明显创新特色的星座式的立体探测体系。双星计划的主要优势是:两颗卫星运行于目前国际上正在地球空间运行的ISTP卫星尚未覆盖的但又非常重要的近地磁层活动区。赤道区卫星主要探测向阳面磁层顶和近磁尾等重要磁层活动区域;极区卫星主要探测地球两极漏斗区沉降粒子对电离层扰动的作用及其与磁层其他活动区域变化的关系。两颗卫星的探测数据经过联合处理,可以探明磁层空间与太阳活动的时序关系,验证目前仍处于理论猜想阶段的磁层空间暴触发机制理论,以及各种能量的传输过程。 双星计划首席科学家刘振兴院士向我们介绍说,为了实现这一系列科学目标,赤道卫星和极区卫星上各载有8台探测仪器,并可分为四种类型,每一类包括几台仪器。一类是探测空间磁场,包括探测平静磁场和变化磁场。这种仪器我们现在做不了,要求精度非常高。第二类是粒子探测器,它可覆盖1电子伏特到1000兆电子伏特的能量范围。还有中性原子成像仪,这是Cluster卫星上没有的探测仪器。第三类是主动电位控制仪。为了保证低能粒子的探测精度,主动电位控制仪把卫星周围的电位消除,这是一种服务性的仪器。第四类是电磁波探测器。低频电磁波对粒子的运动、加热、加速都有影响。低频电磁波的产生原因很多,电磁波探测器就是来探测这种电磁波发生的原因。 在总共16台仪器中,三分量磁场探测器(2台)、等离子体电流和电流探测器(2台)、热离子谱仪(1台)、电磁波探测器(1台)、中性原子成像仪(1台,由中科院空间中心与欧洲研究组合作研制)、电位主动控仪(1台,由欧空局组织和协调欧洲有关科学单位提供)。其余8台由中科院空间中心研制。 刘振兴院士说,双星的建造工作基本完成,目前正在做联合调试工作。近地赤道区卫星将于今年年底从西昌发射场发射。选择这个时间发射,是为了配合ClusterⅡ。近地极区卫星将于明年6月在太原发射场发射上天。 齐飞共舞珠联璧合 Cluster II计划和双星计划各有优势,也各有弱点。但是两者结合起来就可以优势互补,首次形成地球空间的“六点探测”,它将提供人类历史上第一个探测地球空间多层次与多时空尺度相互作用的观测体系,开创地球空间暴研究的新阶段。 双星计划和Cluster密切配合,可探测、研究过去难以实现的地球空间暴多空间层次和多时空尺度的驱动和触发过程。 实际上,刘振兴院士在提出双星计划之初,就瞄准了欧空局的Cluster II计划。抓住机遇,创新优势,跨越发展,这是中国空间技术发展的要求。刘院士说道:“现在与欧空局的合作,就是一个机遇。我们先提出了项目,进行以我们为主的国际合作,我们不仅能够达到空间探测的目的,而且通过这次合作,我们还能学到很多新的技术。” 双星计划提出后,立即引起了国际空间界的重视,欧空局和国际空间局协调组(IACG)在有关会议上对中国的双星计划进行了讨论,并写出了推荐书,认为双星计划对国际日地物理计划将起到重要的作用,并表示积极参与双星计划的合作。 欧空局为了推动中国双星计划与Cluster的合作,主动派出以欧空局科学项目主任博内(R.Bonnet)教授为团长的10人代表团于1997年11月访问了中科院空间中心,双方讨论了双星计划的科学目标、双星轨道和有效载荷。 其中还有一个小插曲。欧空局一行人在听了刘振兴院士关于双星计划的报告后,马上走出报告厅,讨论起来。一会儿,他们又进了报告厅,当场表示要和中国进行合作。 刘振兴院士介绍说:“就目前来说,单靠自己的水平我们还不能在短时间内解决高精度探测仪器问题,因而也就不能在很短的时间内把卫星送上太空。通过与欧空局的合作,其中50%的中国目前不能制造的精密仪器由欧空局提供,这在很大程度上提高了中国的空间技术水平。” 通过与欧空局ClusterⅡ计划的合作,中国可获得ClusterⅡ四颗卫星上44台仪器的所有探测数据,同时还可获得与ClusterⅡ相配合的全球30个台站的地面观测数据。 为了与双星配合,ClusterⅡ卫星的寿命延长了3年。到明年6月双星全部发射完成,四仙子与两姊妹太空牵手形成六星星座,完成人类首次地球空间“六点探测”工作。这将极大地推动国际空间物理研究,同时也将带动中国空间研究和应用的发展,以及促进中国相关领域科学和技术的发展。 |