航天员出舱也要看天气--中国数字科技馆

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航天员出舱也要看天气

来源：中国数字科技馆

更新时间：2025-02-28 18:22:00

（作者：刘勇中国科学院国家空间科学中心）

　　空间站飞行的高度是400公里左右，通常我们把这个区域叫太空。这个区域的气体分子的密度相比不到地面的亿分之一，也常常被认为是真空。不过真空并不是真的空，早在美国第一颗人造卫星上天之时，就发现了太空是存在辐射的，这些辐射的来源于太空中高速运动的高能粒子。

太空行走的宇航员，他的周围就存在少量高能粒子

　　在大气层中的普通粒子相对于周边粒子的运动速度只有每秒数公里，这个速度根据温度变化，温度越高，这个速度也越大，所以常常被称为热运动速度。与普通粒子不同，高能粒子的运动速度都在每秒数百公里之上，有的速度高达每秒数千公里，甚至有少数接近光速。打个比方，如果把普通粒子比喻成哈利波特中的麻瓜，那些高能粒子就像是骑着扫把高速飞行的魔法师，这些“魔法师”具有的能量远远高出“麻瓜”，当然也可能带来更大的破坏。

　　地球附近的空间就是这样的一幅场景，在地表的大气中充满了密密麻麻的“麻瓜”，所以人类在地表活动时基本不会受到高能粒子的影响，虽然偶尔有记录到高能粒子抵达地表附近的事例，但抵达地面的高能粒子数量稀少不足以影响地面的设备和人员。在百公里以上的高度则是高速运动的“魔法师”的天下，这些粒子构成的环境也时常被称为空间环境，空间环境则时时影响着太空中设备的正常工作和航天员的生命健康。

　　想象一下一个高速飞行的“魔法师”飞进一个十分拥挤的车站时什么场景。高速运行的他和周围的麻瓜接连不断地发生相撞，在撞飞很多麻瓜之后他最终会慢下来，而车站内部则是一片狼藉。这和一个高能粒子撞上一个器件的场景非常类似，高能粒子和器件内部的粒子相互作用碰撞，最后也同样留下碰撞过的痕迹。不过一个粒子的破坏毕竟有限，如果大量粒子在短时间内撞上一个器件，就可能导致器件内部带电，存储单元的数据出错，最严重可能导致器件直接被击穿而完全损坏。

　　大量高能粒子和生物体作用也会对生物体照成损伤，宇航员太空行走都会尽量避开高能粒子事件发生的时间点。甚至在太阳爆发大量高能粒子时选择躲到一些存放大量水的舱室后方，让水吸收高能粒子，避免它们对人体产生伤害。

地球上绚丽的极光

　　在空间站的高度，高能粒子的主要来源有三种，一是来源于太阳的高能粒子，二是在地球附近加速产生的，三是来自于太阳系之外的银河宇宙线。银河宇宙线包括来自银河系其他恒星的高能粒子，虽然单个粒子的能量很高不过数量稀少，对设备和人体产生危害小所以通常被忽略。太阳高能粒子伴随太阳爆发产生，在太阳附近被加速到很高能量，然后沿着太阳磁力线传到地球。这些高能粒子通过极区的磁场开口进入地球大气层，和大气层中的中性成分作用产生发光现象，这就是我们通常看到的极光。第二类粒子的产生也和太阳爆发有关；不过他们并不是由太阳爆发直接产生。太阳爆发喷出来的高速物质和地球磁场相互作用，在地球附近的磁场和电离层区域产生大量的地磁波动，这些波动就像一个个马达将地球附近的粒子加速，让他们从“麻瓜”变身成为“魔法师”，如果大量粒子被加速，则可能在空间形成粒子暴，也是我们通常提到的高能粒子事件。

太阳高能粒子示意图

　　中国科学院国家空间科学中心空间环境预报中心一方面直接利用卫星上的设备观测不同高度和不同能段的粒子束流，另一方面也时刻监测太阳的变化，利用太阳观测设备预警可能产生的太阳爆发，并且在太阳爆发发生后通过各种模型来分析计算产生的高能粒子的传播路径和抵达地球的可能性。另外也对由于太阳爆发产生的磁暴进行模拟和分析，判断产生粒子暴的可能性和规模，预警空间天气，让相关部门及时采取应对措施，避免发生重大的事故。

科学性审核：陈艳红中国科学院国家空间科学中心

责任编辑：王磊

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