你身邊的天氣是風雷雨雪 航天器身邊的天氣是什麼？
作者：苗娟（中國科學院國家空間科學中心預報室）
高層大氣通常是指距地表面90公里以上的大氣。雖然它距離我們的日常生活比較遙遠，但卻是各類航天器運行和駐留的主要區域，它對航天器的阻力不可輕視。
高層大氣的狀態直接受太陽活動的影響，太陽風暴發生時，高層大氣會發生劇烈變化，短時間內大氣密度會增加數倍甚至發生數量級變化，導致航天器受到的阻力陡增，從而影響航天器的定位、姿態甚至壽命。
1
「神」而不「密」的高層大氣
你，去過西藏嗎？
當你感受它的美麗和神奇的同時，你的身體也在經受著考驗——頭疼欲裂、心跳加速……這就是高原反應，是由於海拔高、氧氣稀薄所致。
而西藏的海拔高度僅4公里左右，那麼你能想像90公里之外的高層大氣是何景象？
那就是「空氣極其稀薄」。
拿100公里高度來說，密度僅是地面的百萬分之一，再高的話，就更稀薄。除了隨高度變化外，高層大氣也具有地域性和時間性等特性，在不同緯度、地方條件下，高層大分布也不一樣。高層大氣中沒有水汽，不會出現下雨等現象，永遠晴空萬里。
圖1 大氣密度空間分布示意圖
2.
此「氧」非彼「氧」
高層大氣另一個特徵就是原子氧含量高。
我們通常所說的氧氣是由兩個原子組成的穩定態分子氧，而原子氧是指遊離態單個氧原子。
在高層大氣中，氧絕大部分是以單個遊離狀態的原子存在的，原子氧的比例佔到大氣中各種成份總量的70％到90％。
由於原子氧是一種強氧化劑，當它與在軌運行的飛船以8公里/秒的速度相遇時，單個原子氧的能量可以高達4～5電子伏特，原子氧的通量可以達到每平方米每秒1019個，這時飛船相當於處在一個高溫氧化爐中，它的表面材料會發生顯著的物理和化學反應。這將必然導致材料的腐蝕、挖空及變性等。
3.
小密度，大阻力
高層大氣雖不適合人類生存，但它卻是各類低軌航天器遨遊和駐紮的主要區域，例如我國神舟飛船就運行於此區域，國際空間站也長期駐留在這個區域。
它的一舉一動，會對其中的航天器帶來很大的影響。
那麼，高層大氣是如何影響航天器的呢？
當你開車在高速路上行駛時，會感覺迎面有很強的氣流試圖阻擋你的前行——這便是大氣阻力，速度越大時，受到的阻力也越大。
運行於高層大氣中的航天器，當然也會受到大氣阻力。
高層大氣，雖然要比低層大氣稀薄的多，但對於高速運行的航天器而言，這種阻力不可小視。
航天器在高層大氣中飛行時受到的大氣阻力和航天器運行的方向相反，它會使航天器機械減少，軌道收縮，高度下降。
對於圓軌道航天器，大氣阻力的效應將使軌道高度不斷降低，最終墜落，但其繞地的軌道保持圓形。
而對於橢圓軌道航天器，由於大氣密度隨高度增加迅速減少，因而在軌道的近地點及其附近一小段距離內所受到的大氣阻力最大，其結果是航天器的遠地點高度逐漸減小，軌道不斷收縮，越來越接近於圓形，而近地點地心距減小，相對非常緩慢。
圖2 軌道衰變示意圖
大氣阻力產生的軌道衰變將使航天器逐步脫離原定軌道，當實際軌道與預定軌道達到一定差距時，為了保證飛行壽命和航天任務的完成，需要利用航天器自身攜帶的助推燃料，推動航天器回到原定軌道，即軌道維持。
由於大氣阻力的長期存在，低軌道航天器需要根據情況定期進行軌道維持。
太陽平靜時，航天器軌道會按照一定的規律逐漸下降至壽命結束。
但當發生太陽風暴時，大氣密度會陡增，即阻力突然加大，就加速了航天器衰減的速度，從而導致它偏離預計航道，甚至提前掉入低層大氣結束壽命。軌道越低，這種影響就越嚴重。
圖3 太陽風暴導致衛星軌道改變
4.
Who is your 「衣食父母」？
我們知道，地球萬物生長、變化的能量來自太陽。
高層大氣也不例外，它靠吸收太陽能量來維持自身複雜的變化過程並保持一種動態平衡。
一旦發生太陽風暴，這種平衡將被打破，進入另一種狀態。而引起這種變化的主要能源有兩種：
首先是太陽極紫外輻射。它是中高層大氣最主要的能源，雖然極紫外輻射所包含的能量僅是可見譜段的1/100000，但高層大氣對極紫外輻射完全吸收，吸收能量的20％～30％用來加熱高層大氣。
當發生太陽風暴時，用於加熱大氣的太陽輻射能量急劇增加，大氣溫度升高，對流加強，低層大氣受熱膨脹上升，從而導致高層大氣密度成倍增加。
除了太陽輻射外，高層大氣的第二個主要能源是太陽風，特別是太陽風暴期間，發生強地磁暴時太陽風帶來的能量。
太陽風通過磁層為高層大氣提供能量的過程，要比太陽輻射對高層大氣的直接加熱過程複雜得多。
地磁平靜時，太陽風攜帶的能量僅為太陽極紫外輻射的十分之一，但在地磁暴時，太陽風帶來的能量是極紫外輻射能量的十倍或更多。
地磁暴期間，焦耳加熱和極光粒子沉降加熱是太陽風提供給高層大氣的主要能量方式。
發生地磁暴時，受高緯焦耳加熱和高能帶電粒子沉降加熱等的影響，極區大氣首先被加熱、膨脹上升，低層較密的大氣被帶到較高高度上，使極區高層大氣密度和成分發生很大變化；同時在大氣環流的共同作用下，這種變化被帶到其高度和緯度區域上，從而引起全球高層大氣增溫，密度和成分發生變化。
太陽風暴的發生，會使大氣密度在短時間內快速上升，航天器受到的拖曳力會突增，從而影響航天器的軌道衰變速度，極端情況可能導致航天器隕落。
5.
看看我的威力
我們可以舉幾個例子，帶大家體會下高層大氣阻力的威力。
美國哥倫比亞號太空梭在1981年4月12日飛行時，恰恰遇到一次太陽風暴，造成近地環境劇烈變化，大氣密度陡增，導致該太空梭下降到較低軌道的時間比預期快60%。
1989年3月發生的強太陽風暴導致大氣密度劇增，其中840公里高度的大氣密度增加了9倍。美國氣象衛星一度中斷向地面發送雲圖，衛星幾天不能正常工作。美國空間監測網跟蹤的幾千個空間目標大部分失蹤。
在這一事件中，美國太陽峰年衛星（SMM）在整個事件期間高度下降5公里，從而提前隕落。
圖4 太陽風暴引起的大氣密度增長
2000年7月的大地磁暴引起大氣密度劇增，導致國際空間站軌道下降了15公里；日本ASCA衛星失去高度定位，導致太陽能帆板錯位而不能發電。
……
不過，別過度擔心，高層大氣的變化也是有「跡」可循的。只要做好太陽活動預報和地磁擾動預報，它的變化，依然盡在科學家掌握之中！
國家空間科學中心
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