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作者：苗娟（中国科学院国家空间科学中心预报室） 高层大气通常是指距地表面90公里以上的大气。虽然它距离我们的日常生活比较遥远，但却是各类航天器运行和驻留的主要区域，它对航天器的阻力不可轻视。 高层大气的状态直接受太阳活动的影响，太阳风暴发生时，高层大气会发生剧烈变化，短时间内大气密度会增加数倍甚至发生数量级变化，导致航天器受到的阻力陡增，从而影响航天器的定位、姿态甚至寿命。 “神”而不“密”的高层大气 你，去过西藏吗？ 当你感受它的美丽和神奇的同时，你的身体也在经受着考验——头疼欲裂、心跳加速……这就是高原反应，是由于海拔高、氧气稀薄所致。 而西藏的海拔高度仅4公里左右，那么你能想象90公里之外的高层大气是何景象？ 那就是“空气极其稀薄”。 拿100公里高度来说，密度仅是地面的百万分之一，再高的话，就更稀薄。除了随高度变化外，高层大气也具有地域性和时间性等特性，在不同纬度、地方条件下，高层大分布也不一样。高层大气中没有水汽，不会出现下雨等现象，永远晴空万里。  图1 大气密度空间分布示意图 2. 此“氧”非彼“氧” 高层大气另一个特征就是原子氧含量高。 我们通常所说的氧气是由两个原子组成的稳定态分子氧，而原子氧是指游离态单个氧原子。 在高层大气中，氧绝大部分是以单个游离状态的原子存在的，原子氧的比例占到大气中各种成份总量的70％到90％。 由于原子氧是一种强氧化剂，当它与在轨运行的飞船以8公里/秒的速度相遇时，单个原子氧的能量可以高达4～5电子伏特，原子氧的通量可以达到每平方米每秒1019个，这时飞船相当于处在一个高温氧化炉中，它的表面材料会发生显著的物理和化学反应。这将必然导致材料的腐蚀、挖空及变性等。 3. 小密度，大阻力 高层大气虽不适合人类生存，但它却是各类低轨航天器遨游和驻扎的主要区域，例如我国神舟飞船就运行于此区域，国际空间站也长期驻留在这个区域。 它的一举一动，会对其中的航天器带来很大的影响。 那么，高层大气是如何影响航天器的呢？ 当你开车在高速路上行驶时，会感觉迎面有很强的气流试图阻挡你的前行——这便是大气阻力，速度越大时，受到的阻力也越大。 运行于高层大气中的航天器，当然也会受到大气阻力。 高层大气，虽然要比低层大气稀薄的多，但对于高速运行的航天器而言，这种阻力不可小视。 航天器在高层大气中飞行时受到的大气阻力和航天器运行的方向相反，它会使航天器机械减少，轨道收缩，高度下降。 对于圆轨道航天器，大气阻力的效应将使轨道高度不断降低，最终坠落，但其绕地的轨道保持圆形。 而对于椭圆轨道航天器，由于大气密度随高度增加迅速减少，因而在轨道的近地点及其附近一小段距离内所受到的大气阻力最大，其结果是航天器的远地点高度逐渐减小，轨道不断收缩，越来越接近于圆形，而近地点地心距减小，相对非常缓慢。  图2 轨道衰变示意图 大气阻力产生的轨道衰变将使航天器逐步脱离原定轨道，当实际轨道与预定轨道达到一定差距时，为了保证飞行寿命和航天任务的完成，需要利用航天器自身携带的助推燃料，推动航天器回到原定轨道，即轨道维持。 由于大气阻力的长期存在，低轨道航天器需要根据情况定期进行轨道维持。 太阳平静时，航天器轨道会按照一定的规律逐渐下降至寿命结束。 但当发生太阳风暴时，大气密度会陡增，即阻力突然加大，就加速了航天器衰减的速度，从而导致它偏离预计航道，甚至提前掉入低层大气结束寿命。轨道越低，这种影响就越严重。 图3 太阳风暴导致卫星轨道改变 4. Who is your “衣食父母”？ 我们知道，地球万物生长、变化的能量来自太阳。 高层大气也不例外，它靠吸收太阳能量来维持自身复杂的变化过程并保持一种动态平衡。 一旦发生太阳风暴，这种平衡将被打破，进入另一种状态。而引起这种变化的主要能源有两种： 首先是太阳极紫外辐射。它是中高层大气最主要的能源，虽然极紫外辐射所包含的能量仅是可见谱段的1/100000，但高层大气对极紫外辐射完全吸收，吸收能量的20％～30％用来加热高层大气。 当发生太阳风暴时，用于加热大气的太阳辐射能量急剧增加，大气温度升高，对流加强，低层大气受热膨胀上升，从而导致高层大气密度成倍增加。 除了太阳辐射外，高层大气的第二个主要能源是太阳风，特别是太阳风暴期间，发生强地磁暴时太阳风带来的能量。 太阳风通过磁层为高层大气提供能量的过程，要比太阳辐射对高层大气的直接加热过程复杂得多。 地磁平静时，太阳风携带的能量仅为太阳极紫外辐射的十分之一，但在地磁暴时，太阳风带来的能量是极紫外辐射能量的十倍或更多。 地磁暴期间，焦耳加热和极光粒子沉降加热是太阳风提供给高层大气的主要能量方式。 发生地磁暴时，受高纬焦耳加热和高能带电粒子沉降加热等的影响，极区大气首先被加热、膨胀上升，低层较密的大气被带到较高高度上，使极区高层大气密度和成分发生很大变化；同时在大气环流的共同作用下，这种变化被带到其高度和纬度区域上，从而引起全球高层大气增温，密度和成分发生变化。 太阳风暴的发生，会使大气密度在短时间内快速上升，航天器受到的拖曳力会突增，从而影响航天器的轨道衰变速度，极端情况可能导致航天器陨落。 5. 看看我的威力 我们可以举几个例子，带大家体会下高层大气阻力的威力。 美国哥伦比亚号航天飞机在1981年4月12日飞行时，恰恰遇到一次太阳风暴，造成近地环境剧烈变化，大气密度陡增，导致该航天飞机下降到较低轨道的时间比预期快60%。 1989年3月发生的强太阳风暴导致大气密度剧增，其中840公里高度的大气密度增加了9倍。美国气象卫星一度中断向地面发送云图，卫星几天不能正常工作。美国空间监测网跟踪的几千个空间目标大部分失踪。 在这一事件中，美国太阳峰年卫星（SMM）在整个事件期间高度下降5公里，从而提前陨落。 图4 太阳风暴引起的大气密度增长 2000年7月的大地磁暴引起大气密度剧增，导致国际空间站轨道下降了15公里；日本ASCA卫星失去高度定位，导致太阳能帆板错位而不能发电。 …… 不过，别过度担心，高层大气的变化也是有“迹”可循的。只要做好太阳活动预报和地磁扰动预报，它的变化，依然尽在科学家掌握之中！ |
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