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第1章 太空环境知识(1)

目前我们所面对的太空环境

自宇宙大爆炸以后,随着宇宙的膨胀,温度不断降低,现在,太空已成为高寒的环境,平均温度为-2703℃。在太空中,各种天体也向外辐射电磁波,许多天体还向外辐射高能粒子,形成宇宙射线。如太阳有太阳电磁辐射、太阳宇宙线辐射和太阳风。太阳宇宙线辐射是太阳在发生耀斑爆发时向外发射的高能粒子,而太阳风则是由日冕吹出的高能等离子体流。

许多天体都有磁场,磁场俘获上述高能带电粒子,形成辐射很强的辐射带,如在地球的上空,就有内外两个辐射带。由此可见,太空还是一个强辐射环境。

太空还是一个高真空、微重力环境。重力仅为百分之一到十万分之一克(即重力加速度),而人在地面上感受到的重力是1克。

太空垃圾危害自20世纪50年代开始进军宇宙以来,人类已经发射了4千多次航天运载火箭。据不完全统计,太空中现有直径大于10厘米的碎片9千多个,大于1.2厘米的有数十万个,而漆片和固体推进剂尘粒等微小颗粒可能数以百万计。

不要小看这些太空垃圾,由于飞行速度极快(6~7千米/秒),它们都蕴藏着巨大的杀伤力,一块10克重的太空垃圾撞上卫星,相当于两辆小汽车以100千米的时速迎面相撞,卫星会在瞬间被打穿或击毁!试想,如果撞上的是载人宇宙飞船……而且人类对太空垃圾的飞行轨道无法控制,只能粗略地预测。这些垃圾就像高速公路上那些无人驾驶,随意乱开的汽车一样,你不知道它什么时候刹车,什么时候变向。它们是宇宙交通事故最大的潜在“肇事者”,对于宇航员和飞行器来说都是巨大的威胁。

目前地球周围的宇宙空间还算开阔,太空垃圾在太空中发生碰撞的概率很小,但一旦撞上,就是毁灭性的。更令航天专家头疼的是“雪崩效应”——每一次撞击并不能让碎片互相湮灭,而是产生更多碎片,而每一个新的碎片又是一个新的碰撞危险源。如果有一天,等地球周围被这些太空垃圾挤满的时候,人类探索宇宙的道路该何去何从呢?

太空垃圾是人类在进行航天活动时遗弃在太空的各种物体和碎片,它们如人造卫星一般按一定的轨道环绕地球飞行,形成一条危险的垃圾带。太空垃圾可分为三类:一是用现代雷达能够监视和跟踪的比较大的物体,主要有各种卫星、卫星保护罩及部件等,这类垃圾目前已达8000多个;二是体积小的物体,如发动机等在太空爆炸时产生的,其数量估计至少有几百万;三是核动力卫星及其产生的放射性碎片,2000年,这类卫星送到地球轨道上的碎片已达3吨。

1957年10月4日,前苏联成功地发射了第一颗人造地球卫星,揭开了人类太空时代的序幕,同时也为太空送去了第一批垃圾。当时,宇航员完成飞行任务,把卫星的装载舱、备用舱、仪器设备及其他遗弃物都留在了卫星轨道上。此后,随着人类太空史上的一次次壮举,太空垃圾与日俱增。人类先后已将4000余颗卫星送入太空,目前仍在正常运转的仅有400余颗,其余的或坠毁于地球表面,或遗留在太空,成为太空垃圾。据统计,目前约有3000吨太空垃圾在绕地球飞奔,而其数量正以每年2%~5%的速度增加。科学家们预测:太空垃圾以此速度增加,将会导致灾难性的连锁碰撞事件发生,如此下去,到2300年,任何东西都无法进入太空轨道了。

太空垃圾给航天事业的发展带来了隐患,它们成为人造卫星和轨道空间站的潜在杀手,使宇航员的安全受到严重威胁。要知道,太空垃圾是以宇宙速度运行的。一颗迎面而来的直径为0.5毫米的金属微粒,足以戳穿密封的飞行服;人们肉眼无法辨别的尘埃(如油漆细屑、涂料粉末)也能使宇航员殒命;一块仅有阿司匹林药片大的残骸可将人造卫星撞成“残废”,可将造价上亿美元的航天器送上绝路。在人类太空史上,太空垃圾造成的事故和灾难屡见不鲜。1983年,美国航天飞机“挑战者”号与一块直径0.2毫米的涂料剥离物相撞,导致舷窗被损,只好停止飞行。1986年,“阿丽亚娜”号火箭进入轨道之后不久便爆炸,成为564块10厘米大小的残骸和2300块小碎片,这枚火箭的残骸使两颗日本通信卫星“命赴黄泉”!1991年9月15日,美国发射的“发现者”号航天飞机差一点与前苏联的火箭残骸相撞,当时“发现者”号与这个“不速之客”仅仅相距2.74千米,幸亏地球上的指挥系统及时发来警告信号,它才免于丧生。据计算,目前太空轨道上每个飞行物发生灾难性碰撞事件的几率为3.7%,发生非灾难性撞击事件的可能性为20%。以此计算,今后每5~10年将可能发生一次太空垃圾与航天器相撞事件,到2020年将达到2年一次。

生长在太空里的植物

人类实现了第一次宇宙飞行之后,航天技术得到迅猛发展,人们不但飞上了月球,还在宇宙空间建立了太空站,可以让人在里面住上一年半载。于是,“宇宙食物”就成了一个亟待解决的大问题。

在长途宇宙飞行和空间站中生活的宇航员需要有大量的食物,如果仅靠自己携带和地球输送,是有困难的。最理想的方法莫过于在宇宙飞船和太空站中种上植物,做到自产自给了。

在太空中种植物,这可能吗?要知道,植物的根有向地性,茎有负向地性,这都是地心引力在起作用。如果它们离开了地球,到没有地心引力的太空中去,是不是还会生存下去呢?

试试看吧,科学家为此进行了一些实验。

1982年6月27日,美国“哥伦比亚号”航天飞机第四次升空,这次飞行的任务之一是进行一些生物实验。在航天飞机上有两个大小的生物箱,里面栽有地球上三种普通的植物——松树、燕麦和绿豆。在太空度过了8天后,人们发现这3种植物都很难适应空间的失重情况,许多茎发生了变形,朝几个不同的方向扭曲生长;根也发生了混乱,有向土壤中长的,也有冒出土壤倒长的。

不过,这些植物虽然看上去长得有些古怪,却还是健康的,而且富有生气。对这些植物进行的生物化学分析表明,木质素生长并不受失重状态的影响,而且蛋白质增长数量很高。

这可是一个鼓舞人心的结果,证明有可能在太空中种植物。当然,还需要解决诸如固定植物和给植物供水之类的问题,但这些都是可以克服的问题。

在“哥伦比亚号”第四次太空飞行后不久,1982年8月19日,苏联发射了“联盟77号”宇宙飞船,将3名宇航员送上了“礼炮7号”太空站,在太空中工作了7个昼夜。他们的任务之一是进行植物栽种实验,女宇航员萨维茨卡娅细心地往“菜园”中栽入葱头,这种“菜园”实际上是些不同形状的容器,中间盛有人造土壤,它含有地表沃土同样的矿物成分以及供给植物生长所需的水、阳光、空气的自动装置,此外还特意加上模拟地球引力场的磁力重力器。结果,7天过去了,葱头上萌出了新芽,长出了绿叶。科学家们满意地看着这些葱头,因为这证明在太空建立飞行温室是可能的事。

与这些实验同时,科学家们还在考虑这样的问题:在太空中长期生活,氧气的供应和人的排泄物处理也是个难题,能不能也通过栽培太空植物来解决呢?

经过了一系列研究后,科学家把眼光盯向了小球藻。因为它具有生长快、营养价值高、放出氧气数量多等特点,而且,它作为太空粮食,提供同样多的营养成分时要比其他植物轻得多。你想,它生长迅速,在光合作用时可以吸收人们排出的二氧化碳并放出人们需要的氧气;而人的排泄物又能供应它生长所需要的养料,使它成为人类极适宜的食品。这样,小球藻当然就成为太空植物理想的候选者了。

太空中发光的云状天体

冬夜,在湛蓝的天幕上,你会发现两个像闪闪发光的宝石般的天体,这就是猎户座星云和昴星团。尤其是那“像一群散落在一根银色发辫里的萤火虫似的发光物”的昴星团,千百年来不知唤起多少诗人和学者的灵感。

这根银色“发辫”和猎户座里发光的大气体云,天文学家称之为星云。

星云可分为两类,一类是河外星云,顾名思义,就是指银河系以外的星云(也叫河外星系)。一类是河内星云,即指银河系范围内的星系。

现已观测到的河外星系总数为10亿个以上,而用肉眼能够看到的只有大、小麦哲伦星云和仙女座星云。这些看上去像一个个小斑点似的星云,实际和我们银河系一样,是由几亿、几百亿甚至几千亿颗恒星组成的一个巨大的恒星系统,只是因为离我们太遥远而显得渺小罢了。比如,离我们最近的仙女座星云,距离竟达220万光年。如果我们从那里用望远镜看银河系,银河系也成了一个发亮的小斑点了。

河内星云是由极其稀薄的气体和尘埃组成的。河内星云又分为弥漫星云和行星状星云。

大名鼎鼎的猎户座星云就属于弥漫星云,这种星云体积很大,密度却极小。星云形状既不规则,也没明显边界。它的发光,如同行星一样,是反射附近很亮或温度很高的恒星的光造成的。近年来,天文学家在猎户座星云中,发现不少正在形成或刚刚形成的恒星,有的是才有一两千岁的“新生儿”,所以,有人认为星云是恒星的“原材料”。

行星状星云比弥漫星云小得多。星云中间有一个温度高达几万度的恒星,周围是一个发亮的圆环,这可能是恒星爆发时抛出的气体壳层。

人类登天

人们说一件事根本不可能办到,常说:“比登天还难!”连唐代大诗人李白面对举步维艰的蜀道,也发出了“蜀道难,难于上青天”的感叹。可是,随着现代科学技术的飞速发展,人类借助火箭居然实现了登天的梦想。火箭是怎样上天的呢?原来,火箭要冲出地球,飞向宇宙,必须先闯过三道大门。

第一道大门:我们把一个苹果抛向天空,地心引力又使它降回到地面。要使苹果不落地,就要摆脱地心引力。300多年前,牛顿从理论计算出,当速度达到每秒7.91千米时,苹果就可以上天了,并成为绕地球运转的一个卫星。这就是通往宇宙的第一道大门,而每秒7.91千米的速度,又被人们称为第一宇宙速度。

第二道大门:如果物理的运动速度继续增大到每秒11.2千米时,那么这个物体就不再绕地球转圈了,它会摆脱地心引力而沿着抛物线方向飞出地球。这是通往宇宙的第二道大门,也就是第二宇宙速度。

第三道大门:如果物体运动速度达到每秒16.7千米时,该物体就能摆脱太阳系的引力场,沿着双曲线轨道飞出太阳系,真正开始宇宙飞行。这是通往宇宙的第三道大门,也就是第三宇宙速度。

火箭只有达到或超过这三种速度,才能最终实现通往“天堂”的理想。

1957年10月4日,人类发射了第一颗由前苏联制造的人造地球卫星,送这颗卫星上天的三级火箭时速达28400千米,即每秒7.91千米的第一宇宙速度,使人造卫星终于成了牛顿幻想中的“苹果”。1961年4月12日,第一艘载人飞船发射成功,前苏联宇航员加加林首次遨游太空,实现了人类登天的梦想。1969年7月20日,美国“阿波罗”登月飞船首次把人类送进“广寒宫”,从此敲开了宇宙天体的殿门。1981年4月21日,美国“哥伦比亚”号航天飞船首飞成功,标志着人类征服宇宙技术的重大突破。

古今人类对宇宙的认识

自古以来,人类对茫茫的宇宙就充满了遐想。各种各样的宇宙观从幼稚到成熟,从神话到科学,经历了漫长的岁月。

自然说:产生于古印度。古印度人把地球设想为驮在4只大象身上,而大象竟是站在一只漂浮在大海上的海龟背上。

盖天说:又称“天圆地方说”,产生于春秋时期,是我国古代最早的宇宙结构学。

认为人类脚下这块静止不动的大地就是宇宙的中心。地像一方形大棋盘,天如同圆状大盖。倒扣在大地上,上面布满了数以千计的闪光体。

宣夜说:是我国历史上最有卓见的宇宙无限论。最早出现于战国时期,到汉代得到进一步明确。

宣夜说认为宇宙是无限的。宇宙中充满了气体,所有的天体都在气体中飘浮运动。星辰日月都有由它们的特性所决定的运动规律。

浑天说:是继盖天说后,由我国东汉时期著名天文学家张衡提出的。

他认为“天之包地犹壳之裹黄”。天和地的关系就像鸡蛋中的蛋白包着蛋黄,地被天包在其中。

中心火说:由古希腊学者菲洛劳斯提出。他受了前辈哲学家赫拉克利特关于火是世界本原思想的影响,认为火是最高贵的元素,由此提出宇宙结构的“中心火学说”,即宇宙的中心是一团熊熊燃烧的烈火,地球(每天一周)、月球(每月一周)、太阳(每年一周)和行星都围绕着天火运行。

地心说:最早由古希腊哲学家亚里士多德提出。认为地球为宇宙的中心,是静止不动的。从地球往外,依次有月亮、水星、金星、太阳、火星和土星,它们在各自的轨道上绕地球运行。

日心说:1543年由波兰天文学家哥白尼提出。他“推动了地球”,并将宇宙中心的宝座交给了太阳。认为太阳是行星系统的中心,一切行星都绕着太阳旋转。地球也是一颗行星,它像陀螺一样自转着,同时与其他行星一样绕太阳运行。

星云说:18世纪下半叶由德国哲学家康德和法国天文学家拉普拉斯提出的。认为太阳系是一块星云收缩形成,先形成的是太阳,剩余的星云物质又进一步收缩深化,形成行星和其他小天体。

大爆炸说:是1948年由俄裔美国天文学家伽莫夫提出的。他认为,宇宙最初是一个温度极高、密度极大的由最基本的粒子组成的“原始火球”(有称“原始蛋”)。这个火球不断迅速膨胀,它的演化过程就像一次巨大的爆炸,爆炸中形成了无数的天体,构成了宇宙。

太阳系中的环境

说起太阳系里行星的表面颜色,一般都认为是“黄色”的。其实不然,太阳系是个色彩斑斓的花花世界。

水星:从望远镜里看是棕黄色的,但水星的反射光谱则说明它的表面颜色更近似月球,呈深棕灰色。

金星:宇宙飞船拍摄的金星是橙褐色,不过这只是橙色光被金星浓密的大气吸收造成的假象,其实金星表面是深棕黑色。

地球:太阳系中最美丽的也是唯一有生命的行星。海洋呈浓艳的天蓝色,云彩白中透亮、大陆深、浅褐色交织成网状结构,犹如一幅悬挂在宇宙的油彩画。

火星:并非传统以为的“红色”。望远镜中的火星像一块被光照亮的巧克力,很接近橙色。反射光谱表明,火星表面是深棕黄色。

木星:其真实颜色是浅黄灰色。

土星:与木星表面颜色相似。

天王星:从望远镜中就很容易观测到它具有淡淡的海蓝色。

海王星的圆面太小、亮度太暗,冥王星又太遥远,它们是什么颜色,还是个谜。

太阳系的卫星们也是各具特色。