1. <big id="w6k0m"><strike id="w6k0m"><ol id="w6k0m"></ol></strike></big>

        <tr id="w6k0m"><strong id="w6k0m"><menu id="w6k0m"></menu></strong></tr><track id="w6k0m"><s id="w6k0m"></s></track><td id="w6k0m"><strike id="w6k0m"></strike></td>
        
        

      2. 軌道選的好,太陽探測沒煩惱
        發布時間:2021-10-29
        出品:科普中國
        制作:李會超
        監制:中國科學院計算機網絡信息中心

          你來人間一趟,你要看看太陽

          和你的心上人,一起走在街上

          了解她,也要了解太陽

          ——海子《夏天的太陽》

          20211014日,我國首顆太陽探測科學衛星“羲和號成功發射升空,開啟了我國的空間太陽觀測新時代。

          太陽,是距離我們最近的恒星,也是唯一一顆可以進行精細觀測研究的恒星。

          太陽活動會影響地球附近的空間天氣狀況,進而對航天、通信、導航等技術系統產生影響。因此,研究太陽,不但是我們獲得新的天文科學發現的重要途徑,也有防范化解空間天氣災害的現實意義。

          “羲和號”發射成功后,人民日報微信立即發布喜訊,有網友留言,贊嘆運行在517公里高度太陽同步軌道上的“羲和號”技術超群,能夠抵御住太陽的炙烤。

          也許,這位網友顧名思義,把太陽同步軌道當做了一條圍繞太陽運行的軌道,因此感嘆衛星距離太陽如此近,還能正常工作。

           

        人民日報微信推送下網友的留言

          實際上,運行在太陽同步軌道上的衛星其實是圍繞地球運行。除了太陽同步軌道外,也有太陽觀測衛星工作在傾斜地球同步軌道、第一日地拉格朗日點的Halo軌道,甚至是抵近太陽或是飛出地球公轉面的軌道上。

          科學家和工程師們在進行任務規劃時,會根據探測衛星的科學和應用目標、任務資源的限制,合理選擇太陽觀測衛星的工作軌道。

        太陽同步軌道:在地球附近遙望太陽

          我看過沙漠下暴雨

          看過大海親吻鯊魚

          看過黃昏追逐黎明

          沒看過你

          ——陳?!镀婷钅芰Ω琛?/font>

          太陽同步軌道是一類圍繞地球運行的軌道。之所以獲得“太陽同步”的名稱,是因為這類軌道的軌道平面能夠始終跟隨太陽的步伐,在地球公轉的過程中與太陽-地球連線的夾角保持不變。

          工作在太陽同步軌道上的衛星經過同一緯度地區上空時,該地區的光照條件是大致相同的,不會出現這次經過是白天、下次經過就變成晚上的現象。太陽同步軌道的這類特性,使得它能夠配合遙感衛星、氣象衛星等完成對地面“拍照”的衛星工作。

          例如,一顆對地遙感衛星如果想獲得我國地面上白天的遙感數據,只需設計好軌道,就可以在每次經過我國上空時都獲得較好的光照條件。

          幾百公里高度的太陽同步軌道傾角一般也比較高,軌道通過兩極地區,經過一段時間的數據積累,就可以獲得整個地球表面的遙感信息。

          

          太陽同步軌道面示意圖,紅色的軌道面與太陽和地球的連線始終保持固定的夾角(圖片來源http://www-personal.umich.edu/ceravolo/subsystems.html

          太陽同步軌道之所以具備這樣的性質,是因為地球并非一個理想的球體。由于地面到地心的距離在赤道附近較大,而在南北兩極較小,因此地球的引力場也不是理想的中心引力場,會使衛星的軌道面繞著地球自轉軸旋轉。

          對于太陽同步軌道,相同時間內軌道平面旋轉的角度地球繞太陽公轉的角度恰好相同,因此軌道面就能同步跟隨太陽,與日地連線的夾角保持不變。

          

          晨昏平面軌道示意圖(圖片來源:歐洲航天局)

          太陽觀測衛星選擇的則是太陽同步軌道中一種特殊的軌道——晨昏平面軌道。這種軌道的平面位于地球的晨昏線附近,即地球表面處于黑夜和白天的兩部分的分界線。

          和其他取向的太陽同步軌道相比,工作在晨昏平面上的衛星不會被地球的陰影長時間連續遮擋。在這條黃昏追逐黎明的軌道上,衛星能夠獲得對太陽幾乎不間斷的觀測機會。

          除了“羲和號外,以往國外研制的陽光(Yohkoh)、日出(Hinode)、TRACE、IRIS等衛星,也工作在晨昏面上的太陽同步軌道上。我國研制計劃發射的先進天基太陽天文臺(ASO-S也將使用這樣的軌道。

          

          用于觀測太陽的“陽光”衛星,工作在地球附近的太陽同步軌道上

          (圖片來源:美國國家航空航天局)

        “寬帶”的選擇:傾斜地球同步軌道

          我怕時間太快

          不夠將你看仔細

          ——林憶蓮《至少還有你》

          2010年,美國NASA研制的“太陽動力學天文臺”(SDO)衛星發射升空,開始對太陽進行觀測。與以往的衛星相比,SDO的空間分辨率和時間分辨率都有了較大的提高。

          如果把在多個波段上對太陽進行的綜合觀測簡單理解成“拍照片”,那么SDO能夠拍攝的照片清晰度較高、相同時間內能夠產生的照片數量相比以往的太陽觀測衛星也有很大提高,衛星上的相機種類也更多。

          

          SDO探測器能夠觀測的部分太陽圖像,不同波長的圖像反映了太陽不同方面的信息圖片來源:美國國家航空航天局)

          然而,在給太陽物理學家們帶來精細的觀測數據的同時,也給衛星與地面間的數據傳輸技術帶來了很大挑戰:SDO至少需要130Mbps的數據帶寬。

          

          SDO的傾斜地球同步軌道示意圖圖片來源:美國國家航空航天局)

          如果SDO衛星和“羲和號”一樣,選擇太陽同步軌道工作,雖然也能相對持續觀測太陽,卻無法和同一個地面測控站保持聯系。

          為了傳回數據,太陽同步軌道上的衛星要么需要把數據先存儲在衛星上,經過測控站上空時再集中下傳;要么就需要切換“基站”,利用不同的測控站下傳數據;或者是使用資源緊張的天基中繼衛星。

          這些途徑都難以在可獲取資源基礎上滿足SDO的數據傳輸需求。因此,工程師們為SDO選擇另外一條軌道:傾斜地球同步軌道。

          和通信衛星常用的靜止軌道一樣,傾斜地球同步軌道上的衛星圍繞地球旋轉一圈的時間和地球的自轉時間相同,約為24小時。

          靜止軌道的軌道平面與赤道面重合,而SDO則選擇了一條與軌道平面與赤道夾角約為28.5度的軌道。

          之所以讓軌道傾斜,是為了獲得比較連續的觀測太陽的機會,不被地球的陰影遮擋。從地面站的視角看,天空中的SDO衛星不像靜止軌道衛星一樣,穩定定位于一個不動的點。

          然而,SDO在天空中的移動范圍也頗為有限,不會超出單個測控站的覆蓋范圍。因此,SDO能夠始終通過美國國家航空航天局在新墨西哥州白沙綜合站的一個18直徑天線,與地面保持高速通信。

          SDO的軌道高度大約為35800公里,比太陽同步軌道幾百公里的高度要高出不少。軌道高度越高,發射同樣重量的載荷就需要推進能力越強的火箭,發射成本也因此水漲船高。

          如果太陽觀測衛星的儀器數量相對比較少,對通信帶寬的要求沒有SDO這樣高,太陽同步軌道就是一條“經濟適用”的軌道了。

        不間斷的凝視太陽:日地第一拉格朗日點

        嘿,別再灰心

          請你相信,這個世界

          總有人永遠看著你

          ——棱鏡/李奕遐《成長》

          無論是諸多太陽觀測衛星選擇的晨昏面太陽同步軌道,還是SDO所使用的傾斜地球同步軌道,都會在一年中經歷或長或短的“日食季”。在“日食季”期間,太陽每隔一段時間就會被地球遮擋。

          以先進天基太陽天文臺(ASO-S為例,其計劃使用的720公里高度的太陽同步晨昏軌道,在每年的5月中旬到8,共約2.5個月的時間存在陰影。在此期間,圍繞地球一圈的99分鐘中,最長陰影時間18分鐘。

           如果要想完全不受遮擋觀測太陽,獲得完全連續的觀測記錄,還有一個可選的位置:日地第一拉格朗日點。

          1772年,法國數學家拉格朗日計算發現,由兩個天體構成的系統中存在5個平衡點,此處的衛星相對于兩個大天體的位置不隨時間變化,這些點被稱為拉格朗日點。

          在日地系統中,日地第一拉格朗日點(日地L1點)位于地球和太陽中間,與地球的距離約為150萬公里,大致相當于4倍的地月距離。此處的太陽觀測衛星不但可以使用類似望遠鏡的遙感觀測設備持續凝視太陽,還能利用距離采樣觀測設備,實地測量吹拂向地球的太陽風物質性質。

          當太陽風暴爆發時,此處的衛星可以通過遙感觀測發現太陽上的劇烈變化,幫助預報員提前做出判斷,而局地測量儀器則可以在太陽風暴吹襲地球前,發出最后的預警。

          通過相關數據的綜合分析,還可以使我們搞清太陽風暴在向外傳播的過程中究竟經歷了怎樣的變化。

          

          日地系統中的5個拉格朗日點,最常用的為第一拉格朗日點(L1

          (圖片來源:美國國家海洋和大氣管理局)

          1978年,ISEE-3探測器成為第一個在日地第一拉格朗日點工作的太陽風探測器。雖然ISEE-3沒有配備任何遙感觀測設備,只有局地測量功能,但其驗證了探測器在日地第一拉格朗日點工作的可能性,并收獲了不少新科學發現。

          到了1996年,相繼奔赴日地L1點的SOHO衛星和ACE衛星,裝備了種類、功能非常豐富的太陽遙感觀測和局地測量儀器。

          其中,SOHO衛星以遙感觀測衛星為主,兼具局地測量功能;ACE則專司局地測量。這兩艘探測器相互配合,極大改變了我們太陽活動及其對地球影響的認識。

          2015年,DSCOVR衛星被部署到日地L1點,作為逐漸老化的ACE衛星的備份,確保此地的太陽風局地測量能夠持續進行下去。

          

          SOHO衛星圍繞L1點的Halo軌道示意圖,注意圖中的長度比例與實際并不相符圖片來源:歐洲航天局)

          在日地L1點工作的衛星,實際并不是固定在L1點,而是在L1附近的Halo(暈狀)軌道上圍著L1兜兜轉轉。

          雖然L1點的太陽觀測條件優越,但在工程技術的實現上卻有諸多的挑戰,任務實施的難度更大

          首先,將衛星成功發射到距離地球150萬公里的L1點并使之成為一顆環繞太陽的衛星,就需要推力極大的火箭和精準的深空測控技術;其次,與此處的衛星保持通信聯系需要成熟可靠的深空測控網,提供穩定充足的通信帶寬。

          除了日地L1點之外,空間物理學家們也提出了在L4、L5,甚至能夠凝視太陽背面的L3點部署觀測衛星的設想和計劃。

          如果能夠獲得充足資源支持、解決航天技術上的難題,使得這些設想能夠變成現實,那么,我們將可以從多個角度對太陽實施立體觀測,進一步增進我們對太陽的理解與認識。

        更遙遠的軌道:飛離地球,更接近太陽

          外面的世界很精彩

          我出去會變得可愛

          外面的機會來得很快

          我一定找到自己的存在

          ——周迅《外面》

          2006年發射升空的STEREO“雙胞胎”探測器,由兩艘一模一樣的探測器STEREO-ASTEREO-B組成。

          它們工作在環繞太陽運行的軌道上,與地球的公轉軌道處在同一個平面。不過,STEREO-A與太陽的距離相對地球要一些,STEREO-B則要一些。這樣,STEREO-A公轉的角速度略快于地球,STEREO-B則略慢于地球。

          隨著時間的流逝,兩顆衛星開始逐步分離,可以從不同的角度觀測太陽。201126日,兩顆衛星的夾角達到了180度,人類第一次同時看到了整個太陽球面的完整圖像。

          

          201126STEREO-A/B星(藍點和紅點)及地球(綠點)的位置。STEREO-A/B星之間的夾角已經達到180(圖片來源:美國國家航空航天局)

          2018年發射的帕克太陽探測器,在進入環繞太陽運行的軌道后,則通過金星的引力場實現借力飛行,逐步降低自身的軌道高度,前所未有接近太陽,為科學家們帶來太陽風發源地的實地測量信息。

          未來,帕克太陽探測器與太陽中心的距離最小可以達到630萬公里,這已經是目前的航天技術能夠達到的接近太陽的極限。關于帕克太陽探測器,我們之前做過詳細的介紹,感興趣的讀者可以參閱“我,尤金·帕克,決定把它叫做太陽風!https://mp.weixin.qq.com/s/1peIqNi03gq61j4Llz8tFw

          至于2020發射的太陽軌道探測器,則首次攜帶遙感觀測儀器,從地球公轉的軌道平面上躍出,效果更好的角度觀測太陽南北兩極的磁場和等離子體情況。

          孕育太陽風暴的太陽活動區,大都在較低的緯度出現,在地球的公轉軌道面內就能獲得比較理想的觀測效果。然而,太陽南北兩極的磁場對于日球層中磁場和太陽風的整體結構存在至關重要的影響影響,而那里一直是以往探測的空白。

          太陽軌道探測器的觀測,將可以為我們帶來這里的新信息。有興趣的讀者亦可參閱《太陽的兩極,Solar Orbiter將第一次幫人們看清》http://www.webcamquestion.com/ydrhcz/ydrhcz_zpzs/ydrh_2020/202002/t20200210_484448.html。

        結語

          Oh God thy sea is so great and my boat is so small.

          ——Old Breton fisherman's prayer

         ?。ㄉ癜?,你的海洋如此遼闊,我的船卻如此渺小。

          ——古老的布列塔尼漁民的祈禱)

          和不少航天任務一樣,太陽觀測衛星對于軌道的選擇,也會在實現科學目標資源條件允許之間找到一個最優的平衡。

          隨著航天技術的發展,未來可能還會有新的軌道供科學家們選擇,來滿足人類的好奇心,也為保護地球不受太陽風暴危害作出更多貢獻。

        中國科學院科普云平臺技術支持,中國科學院計算機網絡信息中心運行
        文章內容僅為作者觀點,不代表中國科普博覽網、中國科普博覽網運行單位、中國科普博覽網主辦單位的任何觀點或立場。
        久久夜亚洲业亚洲女6久女6久
          1. <big id="w6k0m"><strike id="w6k0m"><ol id="w6k0m"></ol></strike></big>

            <tr id="w6k0m"><strong id="w6k0m"><menu id="w6k0m"></menu></strong></tr><track id="w6k0m"><s id="w6k0m"></s></track><td id="w6k0m"><strike id="w6k0m"></strike></td>