太空探索－指定教材

第八章 探索太空的秘密

8.1  探索地球空间（2）

8.1.2 卫星实地探测

根据同时进行探测的卫星的数目，卫星实地探测可分为单星探测、多星探测和星座(多于3颗卫星)探测。按照轨道高度划分，可将实地探测卫星分为低轨(一般低于 1000km)、中轨(1000～10 000 km)和高轨卫星。按轨道倾角分，可将其分为赤道卫星、极轨卫星和低倾角卫星。依照探测目标区域划分，可分为高层大气探测卫星、电离层探测卫星和磁层探测卫星。卫星的高度和倾角是由探测目的和探测对象决定的。例如，探测赤道和低纬电离层的卫星，就应该选低高度、低倾角轨道；观测极光特性的卫星，应该选极轨、大椭圆、远地点位于北极(南极)的轨道。由于单颗卫星的轨道容易控制，因此目前单星探测仍是一种重要的探测形式，并在地球空间探测中发挥重要作用。

在航天时代的初期，主要是单星探测，在20世纪70年代后期，才开始了多星探测。国际日地探险者系列就是多星探测。该系列的两颗卫星可以根据地面的指令改变相互间的距离，这样就可以得到某些物理参数的不同空间尺度的变化。团星2号(Cluster-II)卫星是目前正在运行的地球空间探测卫星，由不共面的4颗卫星组成小星座。这4颗卫星在地球空间运行时，可根据探测需要改变相互间的距离，因此可获得待测空间物理参数的不同尺度的三维分布。

多颗卫星不同形式的组合，可以获得一些意想不到的结果。如美国计划发射的地球空间电动力学关系(Geospace Electrodynamic Connections，简称GEC)卫星，可根据探测需要，将4颗卫星的轨道位形分别采取珍珠式和花瓣式。

所谓珍珠式，是将4颗卫星置于同一个高倾角(i=83°)的轨道上，卫星间的距离可根据需要进行调整，这种形式可以提供同一经度、不同纬度的同步测量。通过4星的组合，GEC卫星能同步测量6种空间尺度的过程，从而可描绘出多尺度的能量传输和耗散过程。花瓣式轨道是GEC卫星计划的主要部分。在这种轨道中，每颗卫星同时处于相同纬度、不同经度和高度上，这样可以测量有关物理参数的经度分布和高度分布。美国计划发射的辐射带测绘卫星星座拟采用的轨道如图8-2所示。

对于卫星实地测量，轨道的选择很重要。因为轨道决定了卫星所能探测的空间区域。为探测地球磁尾动力学特性而发射的磁尾(Geotail)卫星，选择了大椭圆轨道，远地点在磁尾，这样，在一个轨道周期内，卫星大部分时间运行在磁尾。为了进一步增加在磁尾的停留时间，磁尾卫星还利用月球的引力作用，将卫星轨道变成横放的8字形，远地点达200RE。如图8-3所示。

8.1.3 卫星遥感探测

如果卫星所携带的仪器是遥感器，则卫星可以探测距离卫星一定距离的空间环境的物理参数。

1. 极区卫星

五彩缤纷的极光是地球空间的一道亮丽的风景线，它增添了大自然的美感。但是，我们研究极光，主要不是为了欣赏，而是由极区电离层这个屏幕，观察和判断整个地球空间受太阳活动影响的程度。为了达到这个目的，必须从太空观测极光，同时还要观测整个极光区的特性和演变。

拍摄一部分区域的极光照片不难，难的是同时拍摄整个极光区。这要求卫星的远地点在两极(北极或南极)，且远地点高度必须达到一定值，否则不能看到极光的全貌。例如，极区(Polar)卫星的轨道是1.8RE×9RE的椭圆轨道，轨道周期为18 h，如图8-4(a)、图 8-4(b)所示。轨道的偏心率大，目的是在18 h的轨道周期内，卫星大约有9 h处在大于 1.8RE 的高度上。从轨道高度大于5.4RE起，照相机就可以提供整个极区的像。图 8-4(a)中的1a表示远地点的变化时间。

极光是由带电粒子撞击高层大气分子而产生的。极光光谱含有可见光、紫外和X射线。Polar卫星携带了可见光、紫外和X射线遥感仪器，因此可在这三个波段上对极光区进行整体成像，由此可获得磁层与电离层电动耦合的信息。获得一幅整个极光区X射线像的时间是5min，远紫外像的时间是30 s，可见光像的时间为12 s。

2. IMAGE卫星

IMAGE是Imager for Magnetopause-to-Aurora Global Exploration的缩写，意思是对磁层顶到整个极光区成像探测，因此IMAGE卫星在中文中简称成像卫星。在过去的几十年里，磁层各区域的实地探测已取得很大成绩，但对磁层的整体探测进行得较少，而这对确切了解磁层的实际形状和大尺度动力学是非常必要的。现在，磁层探测方面的新发展和新成果证明，得到磁层整体的像是可行的。IMAGE卫星采用的磁层整体成像技术可以对Χ射线、极紫外、紫外、可见光、射频和强能中性粒子成像。将这些图像结合在一起，就可以构成磁层大部分区域的像，如极光区、等离子体层、边界区、环电流和等离子体片。

在极光区的可见光、紫外和Χ射线发射，起因于磁层高能粒子在稠密的、高纬高层大气的沉降。在磁层中自然产生的各种波动以及人为产生的无线电波的传播和反射，提供了对波源区成像的可能性，这是用其他整体成像技术难以得到的。根据He+和O+谐振散射的太阳极紫外辐射， 可以得到来自于电离层的离子在整个磁层的分布。在磁层各区域，通过强能离子电荷与中性气体交换产生的强能中性原子构成了成像技术的基础，它可用于揭示磁层强能粒子分布、等离子体片和伴随的加速过程的结构。图8-5显示了在磁层不同区域IMAGE卫星采用的成像方式。

3. TIMED卫星

一般将60～180 km的高度范围称为中层和低热层区，来自太阳的能量首先沉积在这个区域，因此对这个区域进行探测和研究，可深入了解太阳对地球大气的作用。中层和低热层区是最难探测的区域。一般的探测气球达不到这个高度，探空火箭在此区域停留的时间太短，所以对这两个区域的探测，很长时间没有找到合适的方法。2001年12月7日，美国宇航局成功发射了一颗名为“热层、电离层、中层能量与动力学”(Thermosphere， IonosphereMesosphere Energetics and Dynamics，简称TIMED)的卫星(见图8-6)。为期两年的TIMED卫星的任务是研究太阳和人类活动对中层和低热层区产生的影响。

TIMED卫星上先进的遥感设备，再加上全球地面观测站网的配合，可以确定中层和低热层区的基本结构；获得前所未有的全球中层和低热层区的参数，包括温度、压强、风、化学组成，及其随时间、空间、季节的变化；了解中层和低热层区的能量平衡、各种辐射的相对重要性，以及能量的输入和输出；同时，还可以了解太阳和人类活动对地球大气的影响。

TIMED卫星的轨道半径为625 km,平均96 min绕地球一周，它携带下列四种探测仪器：(1) 全球紫外成像仪(Global Ultraviolet Imager, 简称GUVI)。GUVI可以测量全球范围中层和低热层区的大气成分、温度以及极光的能量。它每1.5 h完成一次全球中层和低热层区的观测，可以获得白天、黑夜、极光等的资料。可以得到每一分钟从太空进入地球的光的总量，从而可以得到中层和低热层区的大气成分变化的图像。(2) 探测大气层的宽带辐射计(Sounding of the Atmosphere using Broadband Emission Radiometry， 简称SABER)。SABER是一种多通道辐射计，它的主要目的是测量中层和低热层区的压强和温度、大气红外辐射致冷、中层和低热层区的太阳和化学加热效应。SABER 的探测技术在观测中层和低热层区还是第一次使用。每58 s SABER完成一次上下扫描，收集180 km高度到地球表面的数据，包括臭氧、水汽、二氧化碳、氮气、氢气的含量和温度的垂直分布。(3) 太阳极紫外探测仪(Solar Extreme Ultraviolet Experiment， 简称SEE)。SEE由一个分光计和一套光度计组成，用来测量太阳的紫外辐射，特别是太阳软X射线、极紫外线和远紫外线辐射。通过观测太阳紫外辐射的变化，了解和估算太阳辐射变化率。SEE的观测数据将会显示太阳辐射的能量来自哪个波段，以及各个波段的能量怎样随时间变化。(4) TIMED多普勒干涉仪(TIMED Doppler Interferometer， 简称TIDI)。TIDI通过测量大气中氧原子、氧分子等发出的谱线的多普勒频移，测量全球中层和低热层区的风和温度。TIMED卫星是全世界众多科学家盼望已久的。目前，TIMED卫星已经进入探测阶段。TIMED卫星如果能圆满完成任务，将会使人类在新层次上认识自己的生存环境的过程中发挥巨大作用。

上一节  |  回书目 |  下一节