"天问一号"箭在弦上，何时"奔火"看TA脸色
来源：科普中央厨房|北京科技报
采访专家：郭建广(国家空间天气预报台副台长)
天问一号即将发射，此前阿根廷希望号曾因天气原因两次推迟发射。那么天气条件在发射火星探测器中有多重要?空间天气指什么?
人类迎来两年一次的“火星探测窗口期”，多国均有“探火”计划。7月17日，我国长征五号遥四运载火箭也已在中国文昌航天发射场完成技术区总装测试转运至发射区，在完成火箭功能检查和联合测试工作，并确认最终状态后，火箭将加注推进剂，将我国首个火星探测器“天问一号”送往太空。据中国空间技术研究院消息，按预定计划，发射将于7月23日左右进行，2021年2月11日抵达火星，2月21日变轨进入停泊轨道，4月择机登陆。
7月17日在中国文昌航天发射场拍摄的长征五号遥四运载火箭。新华社发(张高翔摄)7月17日在中国文昌航天发射场拍摄的长征五号遥四运载火箭。新华社发(张高翔摄)
此前，阿联酋“希望”号火星探测器曾因天气原因两次推迟发射，终于于7月20日搭载H2A运载火箭从日本鹿儿岛县种子岛宇宙中心成功发射升空。
天气条件在发射火星探测器中的作用有多重要?发射“窗口期”和天气有什么关系?发射过程中以及行进过程中需要做哪些空间天气保障?在“天问一号”发射升空前夕，北京科技报|科学加记者采访了国家空间天气预报台副台长郭建广，解说大国重器“看天”飞行的内情。
窗口期为何两年一次?
火星之所以成为人类太空移民的首选地，首先是因为它与地球同处于太阳系的宜居带上，是与地球相对距离比较近的邻居之一。不仅如此，经过人类多年的火星探测和研究，我们发现，火星与地球相似之处还真不少。
和地球一样，火星周围也笼罩着大气层，火星也有公转和自转，也拥有春夏秋冬四季轮换。火星的一天是24小时37分，与地球有着几乎相同的昼夜轮替时间，在火星上看到的太阳也是东升西落。火星上的一年大约等于687个地球日，也就是说火星上一年相当于地球上两年的时间。
虽然火星与地球十分相似，但是就目前已知的火星环境，还远不能满足人类基本的生存需求，比如火星的大气太稀薄、氧气含量太低、昼夜温差太大……
按照计划，“天问一号”火星探测卫星要一次性实现环绕、着陆和巡视三大任务，这是我国第一次向火星发射的探测卫星，将正式拉开我国行星探测的大幕。
为什么天问1号也会选择在此时发射?国家空间天气预报台副台长郭建广介绍，根据地火在太阳系的相对运动关系，约26个月出现从地球发射探测器到火星最佳机会，这期间，太阳、地球和火星基本在一条直线上，也就是地球和火星相对距离最近，发射探测器的成本最经济，这就是所谓的“窗口期”，一旦错过就需要等待两年多。
天气好是火星探测器发射的先决条件
郭建广说，我国的天问一号火星探测器从文昌发射升空后，要经过地球大气层，电离层，磁层等，这些过程跟普通卫星发射相似，需要密切关注地面天气以及空间天气状况。因为探测器在起飞的过程，从地面一直升空到几十公里，地面的天气对起飞的姿态等都会产生很大的影响。
比如阿联酋“希望号”因天气原因两次延迟发射，就主要是因为日本发射场上空的雷暴天，大气中的这种雷电交加可能就会直接击中火箭。此外探测器从地面发射到几十公里高空期间，过大的风速，以及风切变，也会对火箭的飞行姿态产生一定的影响。因此低层的空间天气的影响非常重要，也是探测器发射成功与否的一个先决条件。这就好比飞机起飞，气象条件是先决条件一样。“简单来说，空间天气平静、没有磁暴，风速不大，下雨但不夹带雷电等气象条件下，就比较适合发射探测器。”郭建广说。
因天气原因两次推迟后，阿联酋“希望号”火星探测器于20日在日本种子岛宇宙中心升空(图片来自网络)因天气原因两次推迟后，阿联酋“希望号”火星探测器于20日在日本种子岛宇宙中心升空(图片来自网络)
空间天气灾害可使卫星陨落
当探测器依次进入磁层、行星际空间，踏上漫长的奔火旅程时，此时就需要关注空间天气的影响了，卫星测控可能受到太阳风暴的影响，信号质量下降甚者中断，探测器也可能受到各种高能粒子冲击而发生故障，虽然眼下正处于太阳活动低年，太阳风暴发生的几率较小，但长路漫漫，也不排除偶尔发生的太阳风暴，可能会对探测器飞行产生影响。
那么到底什么是空间天气?郭建广告诉记者，字面上来理解的话，空间天气是在天气前加上了“空间”的定语，也就是说它与天气相关联，但同时又有区别。老百姓普遍理解的天气是指30公里以下的大气层的活动现象，比方说刮风大雨，这都属于地面天气的范畴。而从30公里以上中高层大气、电离层、磁层，一直到太阳，整个日地空间范围内的空间环境的状态或者变化，我们称为空间天气。空间天气会影响人类天基和地基技术系统的正常运行和可靠性，空间天气事件的主要源头就是太阳活动。通俗点说，主要影响的是航天器的安全运行，其次是导航和通信。
他补充到，空间天气没有阴晴之分，但有太阳和近地空间的“平静”与“扰动”之别。正如人们的生活受到自然界的风霜雨雪影响一样，静谧的太空也有着神秘莫测的“空间天气”。空间天气中的“风”是太阳风，“雨”是来自太阳的带电粒子雨。剧烈变化的空间天气状态对人类的航天活动的有非常严重的影响，空间天气灾害可使卫星提前失效乃至陨落，通信中断，导航、跟踪失误等。
据了解，灾害性空间天气事件包括太阳质子事件、地磁暴和电离层暴等。其中太阳质子事件对航天器的影响主要是太阳能电池和各种电子设备的损害。在地磁暴期间，地球周围特别是辐射带区域带电粒子“数量”和“能量”集聚，当航天器穿过这些恶劣的空间环境时，有可能诱发表面充电、深层充电等严重威胁航天器安全的现象;来自太阳高能粒子的轰击还会导致单粒子事件，轻者改变计算机的软件指令，产生软错误，甚至导致集成电路等电子设备的物理损坏;同时地磁暴期间，地球高层大气会被加热并膨胀，从而显著增加对低轨道航天器的拖曳力，导致航天器轨道下降和寿命缩短。
火星探测器“奔火”前要“裸足狂奔”
自地球上有生命以来，地磁场在地球表面形成的庞大磁层，保护了地球的大气层，不被太阳风吹走，而且浓厚的大气层中和了大部分的宇宙射线，对人类和其他生命的伤害性辐射。
郭建广说告诉记者，对于环绕地球的卫星来说，地磁磁层对它们也有一定的保护作用。火星探测器在行进过程中，大部分时间处于行星际空间，少了地球的磁层天然保护屏障，探测器就会受到来自宇宙线和太阳高能粒子直接影响，有可能发生单粒子事件，就会对探测器的安全飞行产生影响，而且火星探测器随着时间推移，离我们越来越远，信号的延迟最长可达20分钟，对探测器的状态监测和异常应对总是在滞后，因此火星探测器奔火旅程有点像“裸足狂奔”，需要一些特别的设计，才能保证它按照既定路线前进。而后期的环绕，降落和巡视，则更需要综合考虑火星地表的尘埃和沙暴，火星大气和空间环境，这些与地球的差异比较大，都需要空间天气的保障，因此空间天气贯穿了火星之旅的全过程。
“天问一号”火星探测计划属于我国重大的航天任务，从立项之后，气象部门就积极参与其中，与相关任务单位多次对接空间天气保障需求。在发射前，我们对已经发射窗口期间的空间天气进行预报，而在探测器奔火途中，计划为星地测控提供一些辅助的支撑，未来还将和一些相关科研部门合作，提供火星上的空间环境保障产品，希望能做出一些实际的产品来支撑的火星探测。
未来会有火星天气预报吗?
未来是否有可能会得到火星天气预报?郭建广认为，未来人们的探测器能到达的地方，空间天气都会有所涉及。比如美国最远的旅行者一号已经飞出了太阳系，旅行者二号也飞到了太阳系的边缘，实地探测到了日球层，类似地球磁层，了解和认识它们，就能为我们积累更多的空间天气理论。目前，与地球长时间探测研究相比，对火星环境的探测是断断续续的，因此短期内可能只能掌握火星部分气候变化规律，但是借助于地球天气的知识积累，“发布”火星天气预报的也不是不可能。要研究火星天气，需要先观测，需要有一定长时间的资料积累，但是随着火星探测的不断深入，这终究不会只是梦想，毕竟人类不会永远躺在地球的摇篮里。
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