屏蔽高能电子的原则(保障谈“天宫”保驾护航，论“高能电子暴”)

栅栏后的絮语

2022-04-20 21:57:21

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摘要

“千呼万唤始出来”，作为我国第一个真正意义上的太空实验室，备受国人瞩目的“天宫二号”终于发射了。她就像一个待嫁的“姑娘”，终究将会带着娘家人的无限期许奔向远方。既然是要到太空去，那么空间环境的状态及其保障工作也就顺理成章地进入了我们关注的视野。

作者：未历航

图1 天宫二号

虽然现在正处于太阳活动的下降年，并没有出现大的太阳爆发事件，但并不意味着空间环境一片风平浪静。近期中科院国家空间科学中心空间环境预报中心仍连续发布了多个高能电子暴的预报警报，事件一度达到了橙色警报级别。仅在9月4-6日，地球同步轨道大于2Mev高能电子日积分通量就已连续三天超过中等高能电子暴事件阈值。那么，高能电子暴究竟是怎样一回事，它的来龙去脉又是怎么样的？今天，就作为科普知识，听笔者娓娓道来。

辐射带的相关概念

提起高能电子，首先不得不说他所处的一个环境，这就是我们经常提到的辐射带，也叫Van Allen带。

图2 地球辐射带（来源于NASA）

辐射带中充满了被地磁场捕获的高能带电粒子，其中内辐射带（在磁赤道面上1.2-2，在子午面内的纬度范围约为40°，其中为地球半径）主要由能量范围在0.1-400Mev的质子构成，外辐射带（载磁赤道面上3-7，在子午面的纬度范围约为55°~70°）的主要成分则是0.04-7Mev的电子。内辐射带相对稳定，而外辐射带可就不那么“老实”了，其对磁层活动有明显的响应，比较活跃，变化较大。特别是地球外辐射带中能量在Mev的相对论电子，其通量在一些磁暴恢复相阶段会出现数量级的增长，引起所谓的“暴”事件。

地球同步轨道距地心大约6.6，正好处在外辐射带电子的“浸泡”中，当高能电子暴来袭，你还能确保这条轨道上的卫星能够“安然无事”么？

高能电子暴的危害

高能电子暴是磁层常见的危害性空间天气，这在我们空间环境预报领域已经被列入了“重点关注”对象。高能电子（或称相对论电子）具有极强的穿透性，能够“毫无保留”的穿透卫星屏蔽层，沉积在卫星内部的电解质材料中，从而诱发介质内部的充电和放电，导致卫星的异常、故障甚至损坏。

高能带电粒子对航天器可以造成辐射损伤，引发单粒子效应和深层充电。其中，辐射损伤会造成航天器材料老化，如太阳能电池寿命降低，半导体器件性能衰退等；单粒子效应会造成航天器的控制电路发生逻辑错误，导致航天器失去控制，严重时导致报废；深层充电经常导致开关异常，它导致的放电脉冲会损坏微型材料及电子器件，导致卫星失控甚至报废。这样的事例在人类航天活动历史上有不少记载，在这就不过多赘述了。

高能电子暴事件的形成

高能电子的起源是此类事件爆发机制研究中的一个重点。关于它的起源，曾有两种不同的观点，外源模式以及内源模式。外源模式，顾名思义，是指地球外部，主张高能电子来自于地球之外，包括木星电子源和太阳风电子源两种；内源模式则认为高能电子来源于地球磁层内部的“种子电子”。作为个人而言，本人更倾向于第二种观点。关于高能电子的形成、加速机制已初见端倪，但目前还尚在进一步研究之中,若要说明白了，还真如“滔滔江水，连绵不绝”。在此先卖个关子，若有兴趣的读者可以参考相关的论文。

图3 高能电子的加速

高能电子暴的形成和爆发与磁层活动密不可分，因此，用地磁活动与高能电子暴的相关性研究来进行事件的有效预报，正是空间环境保障人员研究和努力的方向。无论事件如何爆发，究其根源，都是由太阳这个巨大能量源引起的。太阳活动确实无时无刻不在影响着我们生活的整个环境。在其高年，爆发活动就如同是太阳打了一个“喷嚏”，各种事件会频频光顾地球；在其低年，看似平静的背后却也“暗潮涌动”，冕洞高速流也可以引起大的空间天气事件。据预报中心人员分析，近期的高能电子暴事件，就是受到两个重现性冕洞高速流的相继影响导致地磁发生强烈扰动而引起的。就是在这么一个看似平静的外表下，太阳对地球发动了一连串“突然袭击”。

图4 冕洞示意图（来源于空间环境预报中心）

空间天气与保障

高能电子暴对人类航天活动有着如此严重的影响，而它却仅仅是众多空间天气事件的一个代表。提到“天气”一词，你肯定不会陌生，因为这每天都和你的生活息息相关，而这些都可以用温度、压强、湿度、风场等因素来衡量。但作为广袤的空间环境，同样有着自己“阴晴雨雪、好坏优劣”的天气之分，而这种意义上的“天气”，则更多是受到太阳活动的左右，由大量不同成分的粒子来充当主角的，其性质、通量以及外部磁场等条件的变化决定了空间环境是否处于“平静”或“扰动”状态，严重时则导致了各种“空间暴”的爆发。而这样的天气，是你平时看不见，摸不着，甚至有些时候都不能感受到的，只有各种航天技术系统以及宇航员有更多“亲密接触”的体会。

图5 太阳活动对地球的影响

就“天宫二号”的运行轨道而言，虽然高能电子暴的危害不是主要的，但依然潜在着诸如高层大气密度、空间碎片以及粒子辐射等其它空间天气环境和事件的威胁。面对这些威胁，我们当然不会“束手就擒”，因为有着这么一个光荣的集体，经历了载人航天工程、嫦娥工程、空间科学先导专项首颗星等大项任务的考验，始终在为我们自己的空间活动保驾护航，在设计、发射、在轨运行、空间试验、返回等各个阶段提供各类空间环境分析和预报保障服务，从而为采取积极的应对措施、规避和降低风险提供辅助决策，而这就是我们自己的空间环境预报中心（SEPC）。“实战砺精兵”，相信身经百战的空间环境预报员集体，如今“大战在即”之时，在前期完成了大量准备工作的基础上，想必早已是摩拳擦掌，枕戈待旦了。

结语

随着我国航天事业的节节发展、步步深入，空间天气预报事业也会进一步的凸显出来，更加趋于成熟。而此次的高能电子暴事件又一次提醒我们，太阳在为地球万物生长发光发热之时，同样有着孩童般“淘气”的一面，任何时候都不能低估了她的“脾气”。为此，在最后煽情的做个总结吧：无论你见与不见，太阳总在那里，她的喜怒哀乐，都将是你我生活的一部分！