¿Cuál es la física en el corazón de Viaje al centro de la Tierra?
Durante miles de años, la gente ha sabido que las tormentas violentas, los truenos y relámpagos, las inundaciones y las sequías han provocado desastres en los alimentos, la ropa, la vivienda, el transporte y las actividades de producción de las personas. Hay cambios severos en el clima espacial a una altitud de 20 a 30 kilómetros sobre la Tierra, e incluso en el espacio a 10 millones de kilómetros (o espacio). Por ejemplo, cuando una tormenta solar formada por la erupción de material hipersónico de alta temperatura en el Sol pasa cerca de la Tierra, a veces provoca fallos en el funcionamiento de los satélites, caídas prematuras, interrupciones en las comunicaciones, errores de seguimiento de la navegación y daños al sistema eléctrico, poniendo en grave peligro la salud de las personas. y vidas Sin embargo, estos son hechos nuevos que se han ido reconociendo gradualmente en los últimos 2 a 30 años.
Ahora sabemos que el entorno espacial desde el sol hasta la tierra está estrechamente relacionado con la supervivencia y el desarrollo humanos. Está formado por la atmósfera solar, el medio interplanetario, la magnetosfera, la ionosfera y la atmósfera superior. Este entorno espacial ha sido lanzado por satélites artificiales desde 1957. Los vuelos espaciales tripulados, las comunicaciones, la navegación y las actividades militares se han expandido desde la superficie a cientos o miles de kilómetros, convirtiéndose en un lugar importante para las actividades humanas por su gran altitud, su gran vacío y su singularidad; Las condiciones ambientales como la microgravedad, la fuerte radiación y la alta conductividad no sólo proporcionan abundantes recursos para el desarrollo humano, sino que también proporcionan instalaciones que son imposibles en tierra para actividades aeroespaciales, de comunicaciones, de exploración de recursos, militares y de otro tipo. Bloquea y absorbe el bombardeo directo de rayos X, rayos ultravioleta, partículas cargadas de alta energía y tormentas solares supersónicas del sol, y es una importante capa protectora para la supervivencia humana. Pero "el agua puede arrastrar un barco, pero también puede volcarlo". Los frecuentes y severos cambios climáticos en el espacio también han causado graves daños a las actividades humanas de alta tecnología, como se mencionó anteriormente. La actividad del sol controla sus emociones.
El clima espacial es la integración del monitoreo, la investigación, el modelado, el pronóstico, los efectos, la transmisión y el procesamiento de información del clima espacial (estado o evento), el impacto en las actividades humanas, el desarrollo, la utilización y los servicios del clima espacial, etc. Se trata de una variedad de disciplinas (física solar, física espacial, geofísica, física atmosférica, física de rayos cósmicos, física del plasma espacial, magnetohidrodinámica, cálculo numérico, procesamiento de imágenes, etc.) y tecnología.
El objetivo científico básico de la meteorología espacial es tratar la atmósfera solar, la magnetosfera interplanetaria y terrestre, la ionosfera y la atmósfera superior como un sistema orgánico, y configurar el espacio y el clima de acuerdo con la relación causal en cadena del clima espacial desastroso. Sistema de monitoreo terrestre para comprender los patrones cambiantes de procesos climáticos desastrosos en el espacio. Los principales temas científicos actualmente involucrados incluyen: investigación sobre los procesos de actividad solar y las estructuras de producción de materiales; la formación y evolución de las tormentas solares y su interacción con la Tierra; el modelo de cadena causal de procesos climáticos desastrosos en el sistema espacial terrestre, etc. Todos estos son enormes desafíos que enfrenta la ciencia espacial.
El objetivo de aplicación de la meteorología espacial es reducir y evitar las costosas pérdidas causadas por el desastroso clima espacial a los sistemas de alta tecnología, brindando servicios para el sector aeroespacial, comunicaciones, navegación, recursos, electricidad, ecología, medicina, ciencia. investigación y aeroespacial. Seguridad y Defensa proporciona un contexto regional y global y modelos ambientales que varían en el tiempo. Proporcionar pronósticos del clima espacial, pronósticos de efectos y bases para la toma de decisiones para actividades espaciales y terrestres importantes, proporcionar bases para el análisis de efectos y medidas de protección, explorar posibles formas de desarrollar y utilizar recursos espaciales y controlar artificialmente el clima espacial, y formular políticas espaciales relevantes, etc. .
Viento Solar
¿Qué es el viento solar? En pocas palabras, es el flujo de radiación de partículas solares, que es un componente de la radiación solar. A unos 64.000 kilómetros de distancia de la Tierra, que es 10 veces el radio de la Tierra, hay un flujo de partículas cargadas supersónicas, también conocido como flujo de "isopartículas", que vuelan hacia la Tierra a una velocidad de cientos de kilómetros por segundo, constantemente. impactando el entorno del medio ambiente terrestre. Este es el viento solar. Como sugiere el nombre, el viento solar puede entenderse como el "viento" formado por el sol, pero este "viento" no es la atmósfera que "explota", sino un flujo de partículas cargadas. Esta "velocidad del viento" alcanza velocidades supersónicas. La magnetosfera orientada hacia el sol protege a la Tierra del ataque frontal del viento solar, al mismo tiempo que redirige el viento solar alrededor de la Tierra. Sin embargo, el viento solar puede invadir el polo sur del campo magnético de la Tierra. Cuando el viento solar invade la zona de bifurcación antártica, puede transportar el flujo de radiación de partículas solares cargadas casi verticalmente hacia la ionosfera e incluso hacia la atmósfera media e inferior, provocando que en cada capa se generen zonas de energía, momento y acoplamiento de masa, formando muchas zonas importantes. Fenómenos físicos.
Tormentas espaciales magnetosféricas
Incluidas subtormentas magnetosféricas, tormentas magnéticas y tormentas de partículas magnetosféricas.
-Una subtormenta magnetosférica es un evento transitorio en el que se almacena una enorme energía y se libera repentinamente en la magnetosfera. Ocurren entre 3 y 4 veces al día y la energía liberada cada vez es equivalente a la energía de un terremoto moderado, que puede provocar cambios drásticos en el entorno espacial de la Tierra polar. Las subtormentas magnetosféricas sostenidas están estrechamente relacionadas con las fuertes tormentas magnéticas.
-Las tormentas magnéticas son actividades violentas del campo geomagnético global, que pueden provocar graves perturbaciones en la capa electromagnética y la atmósfera superior, y tener un impacto importante en la precisión del posicionamiento de las actividades espaciales, las comunicaciones y la navegación.
-La tormenta de partículas de la magnetosfera es un evento de explosión de diversas partículas en la magnetosfera cercana a la Tierra, que tiene un impacto importante en las actividades espaciales.
Aurora boreal
La aurora es un extraño y hermoso fenómeno natural que ocurre en las regiones polares. Científicamente hablando, la aurora es una corriente de partículas cargadas emitidas desde la superficie del sol. Se precipita desde el espacio exterior y golpea violentamente la delgada atmósfera de la región antártica de la Tierra, excitando las moléculas atmosféricas a altos niveles de energía y emitiendo una luz visible deslumbrante. Por ejemplo, si se considera el espacio terrestre como un tubo de televisión, se compara el centro de la cola de la magnetosfera terrestre con un cañón de electrones y se considera la atmósfera superior de la región antártica como una pantalla fluorescente, entonces la aurora es la imagen. en esta pantalla fluorescente. La aparición de la aurora depende de la fuerza del sol y de la fuerza y dirección del campo magnético transportado por el viento solar que sale del sol. Las auroras tienen energías enormes, que alcanzan varios miles de electronvoltios. En general, las auroras tienden a aparecer cerca de la latitud geomagnética de 67 grados y una altitud de 110 kilómetros. El objetivo del estudio de la actividad auroral es principalmente estudiar algunos fenómenos físicos en la capa de plasma y su impacto en las comunicaciones y las órbitas de los satélites. Esto se debe a que cuando las partículas cargadas caen en la zona auroral, las partículas cargadas en la zona auroral pueden producir aún más una capa delgada con una concentración de electrones muy mejorada, causando anomalías en las ondas de radio de alta frecuencia emitidas por los transmisores terrestres. Además, las partículas en la región de las auroras calientan la capa superior de la atmósfera, provocando allí fuertes vientos localmente. Las auroras también pueden calentar significativamente la atmósfera en la termosfera (110 km ~ 300 km), aumentar la concentración de electrones y afectar la órbita de los satélites en órbita polar a bajas altitudes de vuelo.
Satélites en racimo
A principios de la década de 1980, la comunidad aeroespacial internacional comenzó a elaborar un plan de exploración espacial internacional sin precedentes. Por ello, se propone que el Grupo de Coordinación de la Agencia Espacial Internacional (IACG, compuesto por la NASA, la ESA y las agencias espaciales de la ex Unión Soviética y Japón) organice y coordine el Programa Internacional de Física Solar Terrestre (ISTP). Este plan es un plan internacional de exploración espacial solar-terrestre a escala espacial desde el lanzamiento del satélite artificial. Su principal objetivo científico es tratar el espacio Sol-Tierra como un sistema general, lanzar múltiples satélites en varios niveles del espacio Sol-Tierra y realizar detección e investigación colaborativas sobre los procesos físicos de cambios en cadena en el sistema Sol-Tierra.
En este contexto, el plan Cluster de la ESA (ahora conocido como plan Cluster I) se propuso a finales de 1985, y el plan IST P se implementó oficialmente de 1992 a 1996. Después de diez años de arduo trabajo, el 4 de junio de 1996, el recién desarrollado cohete Ariane 5 de la ESA lanzó el primer conjunto de cuatro satélites (65.438 satélites cada uno) desde el sitio de lanzamiento de la ESA en la Guayana Francesa. Este es el primer lanzamiento del cohete Ariane 5. El lanzamiento fracasó debido a un incidente con el software de programación de vuelo del cohete. El cohete Ariane-5 y sus cuatro satélites en grupo, que tardaron diez años en desarrollarse, explotaron repentina y catastróficamente, convirtiéndose en humo y escombros en el cielo. Este incidente conmocionó a la comunidad aeroespacial internacional y causó graves pérdidas al desarrollo de la física espacial solar-terrestre internacional.
El fracaso del lanzamiento del Clúster I el 4 de junio de 1996 entristeció mucho a los científicos e ingenieros de la ESA, pero en lugar de deprimirse, despertó el espíritu de trabajo duro. Bajo el liderazgo organizativo del profesor R.M. Bonnet, director de programas científicos de la ESA, se empezó a gestar un nuevo plan de agrupación. Después de ocho meses de arduo trabajo, el nuevo plan de grupos, el Segundo Plan de Grupos, finalmente fue adoptado oficialmente el 4 de abril de 1997.
El cúmulo de estrellas ⅱ es el mismo que el cúmulo ⅰ, incluidos 4 satélites idénticos, que constituyen el plan de exploración de la constelación espacial terrestre.
La órbita del Clúster rⅱ es: el perigeo es 4RE (donde RE es el radio de la esfera, Re = 6371,2 km), el apogeo es 19,6RE y el ángulo de inclinación es 90°. Cada satélite pesa 1,2 toneladas y lleva 11 instrumentos de detección. Hasta el lanzamiento exitoso del Cluster 2, para la detección en un área local del espacio solo se utilizaba un satélite y solo se planificaba una detección de dos puntos en forma de satélites hermanos, que no podían detectar los pequeños tridimensionales. estructura de escala del entorno espacial de la Tierra. El exitoso desarrollo de Cluster marcó el comienzo de una nueva era en la exploración del espacio terrestre. Los cuatro satélites del cluster pueden formar un tetraedro en el espacio y la distancia entre los cuatro satélites se puede ajustar según las necesidades de la investigación científica. La combinación de estos cuatro satélites es como cuatro hermosas parejas bailando en el espacio, cambiando constantemente de posición. Por este motivo, la ESA ha nombrado a los cuatro satélites con el nombre de cuatro bailes, es decir, se llaman "Salsa", "Samba", "Rumba" y "Tango".
El principal objetivo científico del programa Cluster II de la ESA es detectar y estudiar la estructura y los procesos dinámicos de la capa límite de plasma espacial de la Tierra. El principal punto de innovación es detectar la estructura tridimensional a pequeña escala del entorno espacial terrestre y los cambios espaciotemporales de campos y partículas electromagnéticos que eran imposibles de lograr en el pasado, y resolver problemas científicos clave que no se pudieron resolver en el pasado. En la actualidad, ha comenzado el año de máxima actividad solar de 23 semanas. El lanzamiento exitoso del satélite Cluster II desempeñará un papel muy importante para revelar el misterio del entorno de desastre espacial de la Tierra causado por explosiones solares.
Satélite artificial
Nave espacial no tripulada que orbita la Tierra (al menos una vez) en el espacio. El satélite artificial es la nave espacial con más lanzamientos, usos más versátiles y desarrollo más rápido. . El número de lanzamientos de satélites representa más del 90% del número total de lanzamientos de naves espaciales. Un sistema completo de ingeniería satelital generalmente consta de satélites artificiales, vehículos de lanzamiento, sitios de lanzamiento de naves espaciales, redes de control y adquisición de datos aeroespaciales y estaciones de usuario (estaciones y redes). Los satélites y las estaciones de usuario (estaciones y redes) constituyen sistemas de aplicación de satélites, como sistemas de comunicación por satélite, sistemas de navegación por satélite y sistemas de exploración espacial por satélite. 1957 10 El 4 de octubre, la Unión Soviética lanzó el primer satélite terrestre artificial del mundo. Desde finales de la década de 1950 hasta principios de la de 1960, los satélites lanzados por varios países se utilizaron principalmente para detectar el entorno espacial de la Tierra y realizar diversos experimentos de tecnología satelital. A mediados de la década de 1960, los satélites artificiales comenzaron a entrar en la etapa de aplicación y se pusieron en uso varios satélites de aplicación uno tras otro. Desde la década de 1970, han aparecido uno tras otro varios satélites especiales nuevos y su rendimiento ha mejorado continuamente.
Los satélites artificiales se componen de varios sistemas, incluidos varios instrumentos y equipos. Estos sistemas se pueden dividir en dos categorías: sistemas dedicados y sistemas de soporte. Los sistemas para fines especiales se refieren a sistemas directamente relacionados con las tareas realizadas por los satélites y pueden dividirse a grandes rasgos en tres categorías: instrumentos de detección, instrumentos de teledetección y transpondedores. Los satélites científicos utilizan varios instrumentos de detección (como telescopios infrarrojos, detectores de rayos cósmicos, magnetómetros, etc.) para detectar el entorno espacial y observar los cuerpos celestes; los satélites de comunicación transmiten diversas señales de radio a través de repetidores de comunicación y antenas de comunicación utilizan varios controles remotos; sensores (como cámaras de luz visible, radares de visión lateral, cámaras multiespectrales, etc.) para obtener diversa información sobre la Tierra. El sistema de soporte incluye principalmente un sistema estructural, un sistema de control térmico, un sistema de suministro de energía, un sistema de control y medición de radio, un sistema de control de actitud y un sistema de control de órbita. Algunos satélites también están equipados con sistemas informáticos para procesar, coordinar y gestionar el trabajo de cada subsistema. El satélite retornable también dispone de un sistema de aterrizaje de retorno, compuesto por un cohete freno, un paracaídas y una baliza.
Las observaciones satelitales de los objetos celestes no están bloqueadas por la atmósfera. Puede recibir toda la radiación electromagnética de los cuerpos celestes y realizar observaciones astronómicas de banda completa. Los satélites vuelan muy rápido, orbitan la Tierra de varias a más de una docena de veces al día y pueden obtener rápidamente una gran cantidad de información sobre la Tierra, lo cual es incomparable con los estudios terrestres y la fotografía aérea. Los satélites vuelan a altitudes de cientos de kilómetros y no están restringidos por región, espacio aéreo, condiciones geográficas y climáticas, y tienen un amplio campo de visión. Una fotografía satelital de Earth Resources cubre un área de decenas de miles de kilómetros cuadrados. En la órbita geoestacionaria, los satélites pueden "ver" el 40% de la superficie terrestre, lo que favorece la comunicación y puede realizar la transmisión y el intercambio de información a escala global. Los satélites pueden sobrevolar cualquier lugar de la Tierra, especialmente bosques vírgenes inaccesibles, desiertos, montañas, océanos y los polos norte y sur, para observar depósitos minerales subterráneos, recursos marinos y zonas de fallas estratigráficas.
Por lo tanto, los satélites artificiales se pueden utilizar para observación astronómica, exploración de física espacial, comunicaciones globales, transmisión de televisión, reconocimiento militar, observación meteorológica, estudio de recursos, monitoreo ambiental, estudio geodésico, búsqueda y rescate, etc.