这是为什么这颗人造卫星在仅仅三个月后就坠毁回地球的原因

资深撰稿人 Ethan Siegel

资深撰稿人 Starts With A Bang

Nov 15, 2018, 10:00am

从一声爆炸开始

    宇宙就在那里,等待着你去发现它。

1957年, 一名在人造卫星1号发射前在工作的技术人员。在太空仅呆了3个月后, 人造卫星1号由于大气的拖力落回到了地球上, 甚至今天这个问题也困扰着所有低地球轨道卫星。NASA/ASIF A. SIDDIQI

    1957年10月4日, 苏联发射了"人造卫星1号", 人造卫星1号升在地球大气层之上并进入环绕我们星球的轨道, 每90分钟绕一圈。在当时跨世界大部分地区存在的极轻的光污染条件下, 它是一个唯一的它的类别的物体: 一颗人工的、人类造的卫星。非正式的它标志着太空竞赛的开始,这是一场将在未来几十年消耗国际政治的军事和政治努力。

    但人造卫星1号本身没有再长在绕地球运行的轨道上。事实上, 它是如此短暂以至于到了美国成功发射了美国人在太空中的第一颗 "探险家 1号" 卫星时，人造卫星2号第一次在太空中搭载了动物已经绕地球运行了几个月。但这颗最初的人造卫星1号在经过1400多个轨道后已经回到了地球。

对1958年1月31日发射的美国第一颗地球卫星"探险家 1号" 的成功负责的三个人。威廉·皮克林 (左)、詹姆斯·范·艾伦 (中) 和沃纳·冯·布劳恩 (右) 分别对发射了这颗探索者1号卫星、科学仪器和火箭负责。.NASA

    对人造卫星1号发生的并不是不寻常的。事实上, 如果你把它们发射到低地球轨道并留下它们在那里自挡大多数卫星都会发生这种情况。随着经过每一个轨道, 将被远地点摆动，在那里将抵达地球表面的最大距离, 然后是近地点, 在那里它做出它的最接近地球。对于低地球轨道, 这通常意味着甚至在最近的地方卫星比地球表面高出几百公里。考虑到我们在仅100公里 (62 英里) 的高度上划定了地球大气层和外层空间之间的界限, 至少从表面上看这些卫星似乎将在太空中坚定而永恒的存在。

正如这里描画的, 一个不受控制的重返可能造成大的、大质量块在地球上几乎任何地方着陆。像哈勃的主镜这样的重的固体物体可能很容易造成大量的伤害, 甚至死亡, 这取决于这些块的着陆地点。ESA

    但在现实中这种情况要复杂得多。大气层并没有一个突然的结束或它的一个边缘。如果它由真正的粒子组成这不是气体怎样起作用的。随你去更高的高度, 粒子的密度将继续下降, 但被碰撞加热的不同粒子将以不同的速度移动:一些更快、一些更慢, 但有一个明确的平均速度。

    你走得越高, 你就越有可能发现能量更大的粒子, 因为到达那些极端的高度需要更多的能量。但是, 即便在非常高的高度密度是极低的, 它永远不会下降到零。

如这里所示的来缩放的地球大气层的层，上到远远高于典型定义的空间边界的地方。每一个在低地球轨道上的物体都会在一定程度上受到大气拖力的影响。然而, 平流层和对流层包含地球大气层95% 以上的质量以及几乎所有的臭氧。WIKIMEDIA COMMONS USER KELVINSONG

    在达 10000 公里 (6200 英里)高度我们已经发现了引力上仍然绑定到地球的原子和分子。我们没有超越这一点的唯一原因是超过10000公里地球的大气层与太阳风是无法区分的，两者都由脆弱的、热的原子和电离粒子组成的。

    我们大气层的绝大多数 (按质量) 被包含在这个最低层, 对流层包含地球大气层的75%, 平流层包含另外的20%, 中间层包含几乎所有剩余的5%。但下一层热层是令人难以置信的扩散的 。

对流层 (橙色)、平流层 (白色) 和中间层 (蓝色) 是地球大气层中绝大多数分子所在的地方。但除此之外, 空气仍然存在的, 导致卫星来下落和如果单独留下最终会脱轨的。NASA/CREW OF EXPEDITION 22

    虽然在海平面上的一个大气粒子在与另一个分子碰撞之前会旅行一个微小的距离, 但热层是如此漫反射的以至于一个在那里的典型的原子或分子在体验一个碰撞之前可能会传播一公里或更远的。

    在热层上方如果你只是一个微小的原子或分子确实看起来像是一个空的空间一样。毕竟, 你从地球大气层中上升, 你在这个低密度的深渊中徘徊, 而你在抛物线轨道的巅峰的同时你慢慢的最终在它的引力下落回到你的家园星球。

在过去的几年里羊群气象卫星被高放进轨道。对于一些幸运的观天者来说, 在2017年日全食期间可以看到一颗一颗羊群2卫星。到20世纪30年代, 它们都已经落回到地球。NASA

    但如果你是一艘飞船, 你体验某些完全不同的。原因如下:

    你不仅仅从地球上升起, 而是环绕它, 这意味着你正在朝着与脆弱的大气粒子不同的方向移动。

    因为你在一个稳定的轨道上, 你必须快速的移动: 大约7公里 (每秒5英里) 来保持在太空中的。

    你不再仅仅是一个原子或分子的大小, 而是一个航天器的大小。这三种情况结合起来导致对任何轨道卫星的灾难。

 成千的人造天体------95% 的它们是"太空垃圾"------占据低地球轨道。这张图片中的每个黑点都显示要么是一颗正常运行的卫星、一颗不活动的卫星要么一块碎片。虽然地球附近的空间看起来很拥挤, 但每个点都比它所代表的卫星或碎片大得多, 碰撞是极为罕见的。NASA ILLUSTRATION COURTESY ORBITAL DEBRIS PROGRAM OFFICE

    由于卫星的拖力这种灾难是不可避免的, 这是一种由于大气粒子随时间它以相对的高速撞上来量化一颗卫星有多少高速损失的方法。在低地球轨道上的任何卫星将有一个从几个月到几十年不等的寿命但不会超过这个的。你能通过到更高的高度来反抗这一点, 但即使这样也不能永远拯救你。

    每次太阳上有活动如太阳黑子、太阳耀斑、日冕物质甩射或其它类似突发的事件, 地球的大气层都会升温。更热粒子意味着更高的速度, 更高的速度将漂浮到更高和更高的高度, 增加大气的密度, 即使在太空中也是如此。当这种情况发生时, 甚至是几乎没有拖力的卫星也开始向地球坠落。磁暴还会增加极高高度区域的空气密度。

这是由美国宇航局的图像卫星拍摄的一张极光澳斯特拉斯的紫外线的并覆盖在美国宇航局的基于卫星的蓝色大理石图像上的假彩色图像。地球是用假彩色显示的，然而,极光的图像是绝对真实的。太阳活动不仅导致这些极光, 而且加热大气并在所有高度增加卫星的拖力。NASA

    而这个过程随一个卫星体验拖力在这个意义上是累积的，它的近地点会下降的更低和高度更低。现在, 在这些更低的高度上, 拖力被增加的甚至更远, 这导致你失去你保持你的在轨道上更快的动能,。最终的死亡螺旋可能需要数千、数万甚至几十万次轨道, 但每个轨道仅需要 90分钟, 这意味着比任何低地球轨道卫星寿命最多几十年。

自1972年以来联合的美国宇航局-美国地质勘探局陆地卫星已经从空间提供了对地球表面的持续的覆盖和监测。自布什政府以来大地卫星计划的图片对公众使用都是免费的, 但今年早些时候的一项方案将对使用这一关键数据收费。如果不定期的发射替换卫星, 这个项目以及所有依赖低地球轨道卫星的项目, 将在本世纪的某个时候突然的一个结束。NASA

    这个落回到到地球的问题不仅仅是上世纪 5 0年代早期卫星的一个问题, 而对我们从来发射的几乎所有卫星仍然是一个问题。95% 的人造卫星都在低地球轨道上, 包括国际空间站和哈勃太空望远镜。如果我们不定期提升这些航天器, 它们中的许多就已经坠毁在地球上了。

    如果我们让哈勃和国际空间站死亡, 它们目前的轨道还有不到10年的时间。而当大型卫星这样做的时候, 它们就会做出一个我们所说的不受控制的重返。理想情况下, 它们会在大气中燃烧或掉进海洋中, 但如果它们解体并/撞击陆地, 它们可能会造成一个灾难。这可能包括财产损失到生命损失, 这取决于碎片撞击的地点和大小。

对将来的交会对接、捕获和停靠操作，安装在哈勃 (插图) 上的软捕获机制使用一种低冲击对接系统（LIDS) 接口和相关的相对导航目标。该系统的低冲击对接系统接口被设计来与下一代空间运输车辆上使用的交会对接系统兼容。NASA

    然而, 哈勃可能不需要在生命的最后遭受这种命运。正如2009年最后一次在航天飞机上为哈勃提供服务的宇航员迈克尔·马西米诺所说的：

    它的轨道将会衰变。这个望远镜会很好的, 但它的轨道将把它带到离地球越来越近。这是当它的游戏结束时。

    哈勃的最后维修使命包括在望远镜上安装一个对接机构: 软捕获和交会系统。任何装备精良的火箭都可以安全的把它带回家。

此处显示的如ATV-1 号卫星的重返大气层既能以一种可控的方式进行,其中它将分解并在海洋中安全着陆, 也能以一种不受控制的方式, 这可能对人类生命和财产都是灾难性的。NASA

    但对于在低地球轨道上的25000多颗其他卫星来说, 没有受控的重返大气层。地球大气层将击倒它们, 远远超出我们通常绘制的人为的太空边缘或卡曼线。如果我们今天停止发射卫星, 那么在不到一个世纪的时间里, 人类在低地球轨道上的存在不会有剩余的痕迹。

    人造卫星1号于1957年发射,仅仅三个月后它就自发地脱离轨道并落回到地球。来自我们大气层中远远高于我们已经绘制的任何人工线的粒子影响到我们所有的地球轨道卫星。你的近地点越远, 你能在上面呆得越久, 但从这里表面上发送和接收信号的难度就越大。在我们拥有一种无燃料的来被动的推动我们的卫星保持在更稳定的轨道上的技术之前,地球大气层将继续对人类在太空的存在是最具破坏性的力量。

    我是一位哲学博士、作者和科学传播者,在不同的大学里专业物理学和天文学。自2008年以来,我为我的从一声爆炸开始博客赢得了无数的科学写作奖,包括由博士协会颁发的《最佳科学博客》.....

    天体物理学家和作者爱善西格尔是从一声爆炸开始的创始人和主要作家!他的书迁徙术和超越银河在任何售书的地方都可以买到。

https://www.forbes.com/sites/startswithabang/2018/11/15/this-is-why-sputnik-crashed-back-to-earth-after-only-3-months/#74756c0a6dc1