Bitişik uzay: Uçak binemez, uydu inemez
Yazar: Sun Jianying / Çin Bilimler Akademisi İnovasyon Enstitüsü, Havacılık ve Uzay Bilgileri
Bitişik alan, sadece kendine özgü doğa olayları değil, aynı zamanda birçok bilimsel araştırma değerine sahip olan gizemli bir alandır. Ancak, geleneksel havacılık araçları uzay irtifasına nadiren ayak basarlar, bu neden? Bitişik uzayın keşfedilmesi gereken bilimsel değer nedir?
1. Bitişik alan nerede?
Yeryüzünün yüzeyi atmosferle çevrilidir.Bu tabaka 1000 km kalınlığındadır.Yerden yukarıdan troposfer, stratosfer ve üst atmosfer, 1000km uzaklıkta ise dış uzaydır. Komşu alan ("yakın uzay", "havacılık geçiş bölgesi", "alt uzay" veya "yörünge altı", vb. Olarak da adlandırılır) genellikle karasal alanı yerden yaklaşık 20km-100km uzaklıkta ifade eder (Amerika Birleşik Devletleri bunu 20km ila 120km olarak tanımlar) Troposfer, stratosfer ve orta tabakanın yüksek irtifa alanını birbirine bağlayan, yüksek radyasyon, düşük sıcaklık, kuruluk vb. Özellikleri ile nispeten özel ve karmaşık bir ortama sahiptir ve ayrıca elektromanyetik radyasyondan büyük ölçüde etkilenir.
(Şekil 1 Atmosferin dağılımı, resim internetten geliyor)
Bitişik alan çok "garip" bir irtifa aralığında. Sıradan havacılık araçlarının uçuş irtifası genellikle 20 km'nin altındadır ve uzay tabanlı uyduların uçuş irtifası genellikle 100 km'nin üzerindedir. 20km-100km hava sahası aralığında, uçakların ve uyduların uzun süre uçması zordur. Kalmak, "uçak binemez, uydu inemez" olarak tanımlanabilir.
(Şekil 2 Uçak yükseklik dağılımı, resim Ohbot'tan)
Bitişik atmosferle karşılaştırıldığında, malzeme bileşimi, enerji taşınması ve bitişik uzayın etkileşimi son derece karmaşıktır.Yakındaki uzay, keşfedilecek bol miktarda fiziksel fenomen ve keşfedilecek bilimsel yasalar ve bilimsel bilginin derinleştirilmesi gerekir.
2. Bitişik uzaydaki özel fenomenler nelerdir?
Atmosferin bölünmesine ek olarak, iyonosferin de bölünmesi vardır. İyonosfer, dünya atmosferinin iyonize bir bölgesidir. İyonosfer, yerden yaklaşık 50 km ila 60 km yüksekte başlar ve yaklaşık 1000 km yükseklikte dünyanın üst atmosferine kadar uzanır. Güneş elektromanyetik radyasyonu, kozmik ışınlar ve dünyanın üst atmosferine düşen parçacıklardan kaynaklanır. İyonizasyonla üretilen elektronlar, iyonlar ve nötr parçacıklardan oluşan çok düşük enerjili yarı nötr bir plazma bölgesi.
(Resim 3 GIF animasyonunda uzaydan çekilmiş iyonosfer, resim internetten geliyor)
Bitişik uzay ve iyonosfer tabakası D (yerden yaklaşık 60km-90km) ve E tabakası (yerden yaklaşık 90km-90km) 140 km) de kavşaklara sahiptir, bu nedenle yakın alanda birçok özel fenomen vardır.
En tipik olan auroradır, aslında kuzey ve güney kutuplarına yakın renkli ışık bantları gibi atmosferik parçacıkların ışıkla uyarıldığı bir olgudur. Aurora'nın uyarılmış uyarılması, bitişik uzaydaki yüksek irtifa havasındaki moleküllerin (veya atomların) enerji seviyelerinde bir değişiklik sürecidir. Bir parçacık yüksek bir enerji seviyesinden düşük bir enerji seviyesine değiştiğinde, elektromanyetik dalgalar yayar. Yayılan elektromanyetik dalgalar, görünür ışığın frekans aralığı içindeyse, gaz ışık yayar. Her biri farklı enerji seviyelerine sahip çok sayıda yüksek irtifa moleküler gaz türü vardır, bu nedenle ürettikleri aurora da renkli ve farklıdır.
(Şekil 4 Uzay istasyonunda çekilmiş Aurora, resim NASA'dan geliyor)
Airglow, genellikle orta ve üst atmosferde bulunan ve genellikle orta ve üst atmosferin kendisi tarafından uyarılan sönük bir ışıma fenomeni. Hava parıltısı loş olmasına rağmen, yaygın olarak dağılmıştır, bu nedenle aynı zamanda orta ve üst atmosferin bir izleyicisidir (izleyici, yani izleyici veya işaretleyici) ve dağıtım ve değişim süreci, orta ve üst atmosferin çeşitli parametreleri hakkında bilgi içerir.
(Resim 5 Air Glow, resim internetten geliyor)
Uzay perlit bulutunun yanında özel bir tür bulut da var. Sedefli bulutlar genellikle kış kutup bölgelerinin (yüksek enlemler) stratosferinde, yani yaklaşık 15km-25km yükseklikte atmosferde oluşur. Güneşin ufkun 1 ° ile 6 ° altında olduğu "alacakaranlık" döneminde günün ilk veya son ışınları bu yükseklik bulutlarına aşağıdan vurur. Bu ışık buluttaki buz kristalleri tarafından kırılır Bu işleme bulut gökkuşağı adı verilir ve parıldayan bir gökkuşağı etkisi yaratır.
(Şekil 6 Fotoğrafçı F.Prata tarafından 20 Ocak 2008'de güney Norveç'teki Leirsund'da çekilmiş perlit bulutlarının bir grup fotoğrafı)
Kırmızı ispirto (kırmızı şimşek veya şimşek olarak da bilinir) üst atmosferde çok muhteşem bir deşarj olgusudur.Genellikle gök gürültülü fırtına bulutlarının tepesinde meydana gelir ve yerden yaklaşık 50-90 km uzaklıktadır. Kırmızı sprite'ın üst kısmı kırmızıdır ve alt kısmı yavaş yavaş maviye döner ve genişliği yaklaşık 5km-10km'dir. Kırmızı elflerin ortaya çıkma olasılığı nispeten küçüktür ve rastgelelik güçlüdür.Genellikle büyük ve soluk parlamalar sunar.Parlaklığı, yaklaşık on ila yüz milisaniye kadar sürebilen orta parlaklıktaki aurora'ya eşdeğerdir ve şimşek gibi uçar.
(Şekil 7 Ağustos 2019'da kuzey İtalya'da İsviçreli fotoğrafçı Roger Spinner tarafından fotoğraflanan kırmızı sprite)
Kırmızı elflerin yanı sıra, 40 km'nin altındaki atmosferle sınırlı ışık saçan bir fenomen olan mavi bir jet de var. Genellikle ince bir koni şekline sahiptir ve kümülonimbus bulutunun tepesinden saniyede yaklaşık 100 km hızla yukarı doğru, 40km-50km yükseklik dağılmaya başlayana ve süre yaklaşık 200-300ms olana kadar yukarı doğru yayılır. Mavi renk, nitrojen moleküllerinin emisyon spektrumundan olabilir ve kırmızı ruhtan daha parlaktır.
(Şekil 82016'da Perseid meteor yağmuru sırasında astrofotografi meraklıları tarafından kaydedilen mavi jet)
Bu özel ışıklı fenomen muhteşem ve göz kamaştırıcıdır ve aynı zamanda bitişik alana gizemli bir renk verir. Aslında, çoğu ışık fenomenine güneş hakimdir.Bilim adamları canlı bir şekilde güneş patlamalarını (gelişmiş elektromanyetik radyasyon), güneş proton olaylarını (yüksek enerjili parçacık akışları) ve koronal kütle püskürtmelerini güneş fırtınalarının üç aşamalı etkisi olarak adlandırırlar. Bitişik uzay atmosferinin evrimi için ana itici kaynaklardan biri ve aynı zamanda altta yatan atmosferdeki karşılık gelen değişiklikleri de yönlendiriyor. Bu nedenle, bu fenomenlerin daha fazla gözlemi ve analizi ile güneş fiziği ve uzay havası üzerine ilgili araştırmalar, bitişik uzayın bilimsel yönlerinden biridir.
3. Yakın uzaydaki diğer bilimsel sorunlar nelerdir?
1. Atmosferik malzeme değişimi
Bitişik uzay atmosferinde malzeme değişimi çok karmaşık bir süreçtir. Qinghai-Tibet Platosu'nda, stratosfer ile troposfer arasındaki malzeme değişim süreciyle yakından ilgili özel bir "baca" etkisi vardır.
(Şekil 9 Qinghai-Tibet Platosu, resim internetten geliyor)
Qinghai-Tibet Platosu özel bir topografyadadır ve Qinghai-Tibet Platosu'ndaki siklonlar musondan etkilenir. Bilim adamları, Güney Asya'dan muson yoluyla taşınan su buharının ve kirleticilerin bu siklona gireceğine ve antisiklonik sirkülasyonun yukarı doğru hareketinin, alt atmosferdeki büyük miktarda materyali stratosfere üfleyerek bir "baca" etkisi oluşturacağına ve üst atmosferin bileşimini değiştireceğine inanıyorlar. , Ek iklim etkilerine neden olmak ve ardından su buharı, kirleticiler vb. Atmosferik dolaşım ile dünyanın her köşesine ulaşabilir.
(Şekil 10 Qinghai-Tibet Platosu üzerindeki "Baca" etkisi, fotoğrafın kaynağı: Honghu Özel Projesi)
Ve "baca" nasıl taşınır? Ne teslim edildi? Ne kadar teslim edildi? Ve küresel iklime etkisi nedir? Bu teorilerin daha fazla doğrulanması gerekmektedir.Bu nedenle, bitişik uzayda atmosferik bilimsel araştırma yapmak için yüksek irtifa bilimsel balonlar, topla taşınan tespit ekipmanı ve yere dayalı tespit ekipmanı gereklidir.
(Şekil 11: Çin Bilimler Akademisi'nin Qinghai'deki Honghu pilot projesi tarafından gerçekleştirilen yakın uzay atmosferinin yerinde atmosferik tespiti ve düşürme deneyi, resim kaynağı: Honghu Özel Projesi)
2. Yakın uzay biyolojik araştırma
Yakın uzayda bazı biyolojik topluluklar da olabilir.Amerika Birleşik Devletleri ve eski Sovyetler Birliği gibi bazı ülkeler, 20km-77km yükseklikte mikroorganizmalar keşfetmiştir, ancak kullandıkları biyolojik yöntemler yalnızca az sayıda biyolojik grubu tespit edebilmektedir. Modern moleküler biyoloji, genomik, elektron mikroskobu, tek hücreli izotoplar ve diğer teknolojik gelişmeler, bitişik uzay biyosferinin kapsamlı ve derinlemesine incelenmesi için bir fırsat sağlar.
(Şekil 12 Bitişik uzay biyosferinin şematik diyagramı, görüntü kaynağı: Honghu Özel Projesi)
Peki, yakın uzayın canlılar üzerinde nasıl bir etkisi var? Bilim adamları, biyolojik maruziyet deneyleri yapmak için bazı organizmaların (bazı yaygın mikroorganizmalar ve bitkiler gibi) örneklerini yüksek irtifalı bilimsel balonlar ve diğer uçan araçlar vasıtasıyla bitişik uzaya alıyor ve daha sonra daha fazla araştırma için örnekleri yer laboratuvarlarına geri gönderiyor. Yakın uzaydaki biyolojik araştırmalar, bilim insanlarının, yakın uzayın aşırı ortamından etkilendikten sonra "kendilerini değiştirerek" bu canlıların çevreye nasıl adapte olduklarını anlamalarına yardımcı olabilir.
(Şekil 13: Qinghai'deki Çin Bilimler Akademisi'nin Honghu pilot projesi tarafından yürütülen yakın uzaydaki biyolojik atmosferik yükün kapsamlı doğrulama deneyi, resim kaynağı: Honghu özel projesi)
(Şekil 14: Uzayın yakınındaki biyolojik maruziyet cihazı, resim kaynağı: Honghu Özel Projesi)
Yakın uzaydaki canlı yaratıkları "toplayın", yeryüzündeki yaratıkları "ortaya çıkarın", "dünya dışı yaşam" (dünya dışı yaşam) arayın, dünyadaki yaşamın sınırlarını keşfedin, dünya biyosferinin "üst sınırının" anlaşılmasını geliştirin ve dünyadaki yaşamı izleyin. köken.
3. Gezegensel Gözlem
Ozon tabakasının korunması ile insan, yer yüzeyindeki ultraviyole ışınlarından aşırı derecede zarar görmez. Bununla birlikte, gezegensel gözlemler için, karasal gezegen atmosferlerinin temel bileşenleri arasında, ana karakteristik radyasyon ultraviyole yakın bandındadır (200-400 nm) Ancak, bu radyasyonlar yüzeyden 0-30 km yükseklik aralığında yoğun atmosfer tarafından emilir. Yerde gözlem yapamıyor. Bilim adamları, ozon emilimini önlemek için yüksek irtifa bilimsel balonları 30 km'nin üzerine çıkarmayı planlıyor. Çok Gezegen gözlem verilerinin kalitesini artırın. Bu, benzeri görülmemiş bir zorluk olacak, son derece yüksek stabilite ve işaretleme doğruluğuna sahip yüksek irtifa balon platformları gerektirir.
(Şekil 15 Yakın uzayda gezegen gözleminin kavramsal diyagramı, görüntünün kaynağı: Honghu Özel Projesi)
4. Güneş pili kalibrasyonu
Son yıllarda, yeni güneş pilleri önemli ilerleme kaydetmiştir ve güneş pillerinin uygulanması, güneş pillerinin uzay kalibrasyon teknolojisinden ayrılamaz. Uzay kullanımı için bir güneş pili enerji sistemi tasarlarken, standart güneş ışığı altında güneş pilinin kesin performans parametrelerini elde etmek gerekir Yaygın olarak kullanılan uzay kalibrasyon yöntemleri arasında uydu kalibrasyonu, roket kalibrasyonu, uçak kalibrasyonu ve dağ kalibrasyonu bulunur.
(Şekil 16 Yüksek irtifa balonlu güneş pillerinin kalibrasyon sonuçları, "Science in China" Dergisi Sayı 7, 2019'un kapağında yer almaktadır)
Bitişik alanda güneş pillerini kalibre etmek için yüksek irtifa balon platformunun kullanılması, özellikle 35 km'nin üzerindeki irtifalarda, toz ve su buharı olmadan ve büyük ozon bölgesi olmadan diğer kalibrasyonlara bir tamamlayıcıdır. Buradaki güneş ışığı (silikon güneş pilleri dikkate alındığında) Spektral yanıt dalga boyu 0.35-1.1m'dir) temelde uzaydaki güneş ışığıdır, bu nedenle 35km ve üzeri bir rakım, AM0 güneş hücrelerini kalibre etmek için uygun bir alandır. Yakın uzaydaki güneş pillerinin kalibrasyonu, uzaysal spektrum koşulları altında güneş pili performansının kapsamlı ve doğru bir şekilde değerlendirilmesi için büyük önem taşımaktadır.
(Şekil 17 Ağustos 2018'de Honghu, güneş pillerinin uzaya yakın kalibrasyon deneyleri yapmak için yüksek irtifa bilimsel balonlar kullandı. Çin Bilimler Akademisi, 35 km'nin üzerindeki güneş pillerinin yüksek irtifa kalibrasyonunu bağımsız olarak gerçekleştirebilen dünyadaki üçüncü bilimsel araştırma kurumu oldu. Resim kaynağı: Honghu Özel Projesi)
Yakındaki uzay ortamı sadece güneş pillerinin uzay kalibrasyonu için uygun değil, aynı zamanda çeşitli yeni uzay araştırma yöntemlerinin doğrulama testlerini yapmak için de uygundur.
Dördüncü olarak, sonuç
Bitişik uzay, dünya uzayının çoklu-küresinin önemli bir parçasıdır. Bilimsel biliş perspektifinden, orta ve alt katmanlardaki bitişik alan ile yoğun atmosfer arasında yakın bir karşılıklı bağlantı ilişkisi vardır, üst kısım ise iyonosferden geçen güneş aktivitesiyle hareket eder. Ve karşılığında, dünya atmosferinin genel kavrayışı için önemli akademik araştırma değerine sahip olan düşük iyonosferin şeklini etkiler.
(Resim 18 Yüksek irtifa balonu, yakındaki alanı görmezden gelmek için yüksek çözünürlüklü bir kamera ile donatılmıştır, fotoğrafın kaynağı: Honghu Özel Projesi)
Çin Bilimler Akademisi Havacılık ve Uzay Bilgi İnovasyonu Enstitüsü liderliğindeki Çin Bilimler Akademisi'nin stratejik bir pilot bilim ve teknoloji projesi olan "Yakınlık Uzay Bilimi Deney Sistemi" (Honghu Özel Projesi), Çin'in birden fazla uçuş platformuna dayalı ilk yakınlığını inşa etmeyi amaçlayan Mart 2018'de başlatıldı. Uzay bilimi deney sistemi, Çin'in yakın uzay geliştirme ve kullanım yeteneklerini büyük ölçüde geliştirdi ve uluslararası yakın uzay bilimsel araştırmalarına öncülük etti.
Kaynak: Çin Bilimler Akademisi Pekin Şubesi
Editör: Quanta Yuan
