10月29日空间环境及其保护(都亨)-第1章

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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