各国空间站和卫星，为什么都扎堆在400公里高度轨道上？

不久前，我被问了一个非常有意思的问题，为什么我们的天宫空间站和国际空间站一样，都选择了接近400公里高度的轨道？400公里这个高度有什么特殊之处吗？

这个观察特别细致。实际上，运行在几百公里高度的卫星还有很多，这也是人造卫星分布最密集的一个空间区域。举个例子，大名鼎鼎的哈勃太空望远镜，高度也在500公里左右。所以人们必须时刻监控着这个区域中的各个航天器，包括太空垃圾，以免它们发生碰撞。

那么为什么我们不把卫星轨道设计的更分散一些，降低它们发生碰撞的概率呢？比如，我们把卫星轨道降低一些会怎样？其实很好想象，因为大气密度随高度是指数下降的，所以如果卫星轨道降到300公里以下的话，大气的阻力就会显著增强，卫星的速度会迅速降低，导致卫星继续降低高度，直至坠毁。那么，我们可以把卫星轨道设计的更高一些吗？

这个其实是可以的，确实也有一些卫星在更高的轨道上运行。不过这个时候我们就会面临另一个威胁，就是太空中的辐射。说起来，辐射并不是一个多神秘的事情，我们每天日常生活都会接触到各种各样的辐射。太阳光，无线通信，这其实都是辐射。但在这种辐射中，每个光子的能量非常小，对我们没有什么危害。但更高能量的粒子，比如X射线的光子，或者太空中的高能带电粒子，它们的能量足以把原子电离，也就是说，把原子中的电子打出来。人如果暴露在这种电离辐射的环境中，就会导致中枢神经的损坏和骨髓造血功能的破坏，也会增加患癌症的几率。高能粒子也会导致卫星元件的充电和放电，直接损坏仪器，有时还会造成一些元件电位状态的跳变，比如从0变成1，或者从1变成0，导致计算结果错误，运气不好的话也会造成系统的崩溃。所以这些粒子有时也被称为卫星的“杀手”粒子。

配图来自图虫网

在地球附近的太空中就存在着大量的高能粒子，这个区域被称为辐射带。事实上，辐射带是人类进入太空时代之后的第一个科学发现。大家知道，在上个世纪的五十年代，苏联和美国相继发射了人造卫星，开始了太空争霸。在最早的一些卫星上，不管是苏联还是美国，都安装了一种专门测量电离辐射的粒子探测器，叫做盖格计数器。很快，美国科学家范艾伦就发现，太空中的辐射剂量远远超出了之前的想象，甚至超出了盖格计数器的量程。所以人们后来就用范艾伦的名字为辐射带命名，称为范艾伦辐射带。

现在我们知道，范艾伦辐射带中的高能粒子实际上是被地球磁场束缚在地球附近的太空中，并在两个磁极之间来回弹跳的。当然，这些高能粒子不太容易到达地球表面，一方面是因为越靠近地球磁场越强，这些粒子很容易被反弹回去，另一方面则是因为大气层的存在，这些粒子会与大气分子或原子发生碰撞，损失能量。所以总体来说，随着高度的上升和大气密度下降，这些太空中的高能粒子会迅速增多，对卫星和航天员造成巨大的威胁。

所以，大家会尽量让卫星不要飞得太高，避免辐射带的影响。当然也不能太低，不然容易坠毁。那么几百公里的这个高度就成为了最理想的轨道。但有时候人们必须要让卫星飞去更远的地方，比如去月球，或者需要固定在地球某一个点的上方，也就是抵达三万多公里高度的地球同步轨道，那就必须要更加严肃的考虑辐射的问题了。当然我们可以增加防护装甲厚度，但毕竟航天器的重量有限，不能无限增加装甲。所以人们需要对辐射带有更深入的理解，比如说，这些粒子的来源是什么？它们是如何获得加速的？它们在太空中的分布是怎么样的？

还有，如果发生了太阳活动，这些高能粒子的分布会有怎样的变化？现在全世界主要的航天大国都在开展这方面的研究，我国也推出了空间天气预报服务，其中就包括了辐射带高能粒子的分布。这样在关键的时候，我们可以做一些特定的规避动作，或者至少可以关闭一些仪器，避免更大的损失。

毕竟，我们不能让这些小小的粒子，挡住我们奔向星辰大海的脚步。

本文为科普中国·星空计划扶持作品

作者：周煦之

审核：刘勇（中国科学院国家空间科学中心研究员）

出品：中国科协科普部

监制：中国科学技术出版社有限公司、北京中科星河文化传媒有限公司