太空技术改变生活:从卫星到太空望远镜


在苏联的“斯普特尼克1号”卫星上天50年后,尽管“太空”对于普通人似乎仍是一个遥不可及的名字,太空技术实际上已经对人类生活的很多方面产生了影响。

  今天,“太空科技”这个词几乎成了一种欺骗的代名词。如果你听到某种产品夸夸其谈的广告,声称自己使用了美国宇航局的“太空科技”,多半你会自己检查一下它到底是不是在骗人。

  但是,不可否认的是,自从“斯普特尼克1号”发射升空以来,太空技术已经改变了人类的历史,并且仍然在改变着我们的生活。

  卫星照片:让救灾、气象监测变得简单有效

  2005年10月,巴基斯坦发生了7.6级大地震,数万人在这场百年不遇的地震中丧生。灾后救援成了当时一个非常紧急的任务。一些救援人员想到了此前一个叫做GoogleEarth的软件有可能为救援提供帮助。

  Google Earth最初是由美国加州一家小型公司开发的卫星照片浏览软件,后来被Google公司收购,于2005年重新发行。这一软件此前是网民手中的玩具,它拥有一个可以随意缩放的三维界面,可以让使用者很方便地察看地球上一些地区的高分辨率卫星照片。

  此时,巴基斯坦地震灾区在GoogleEarth上还没有高分辨率的图像。此前, Google Earth曾在2005 年9月的美国新奥尔良洪灾救灾中发挥过作用。美国海洋和大气管理局派出了一架无人驾驶飞机,拍摄了新奥尔良受灾地区的航空照片,这些照片被发表在GoogleEarth上面。巴基斯坦没有灾区的航空照片,但是在地震发生之后几天,灾区的卫星照片被更新到了GoogleEarth上。利用这些最新的灾区照片,救援人员可以更好地了解灾区的情况。

  Google Earth所使用的卫星照片来自几家商业卫星照片公司。这些公司使用的是民用陆地成像卫星,例如Quickbird和IKONOS卫星,它们可以提供分辨率在1米左右的陆地照片。这是军事侦察卫星的简化版。长久以来,军事大国都拥有自己的军事侦察卫星,可以拍摄地面的精细照片。但是只是在不久之前,才有像GoogleEarth这样把大量卫星照片提供给公众使用的服务。类似的服务还包括美国宇航局(NASA)的WorldWind软件。一幅最知名的地球照片是阿波罗8号飞船的宇航员在绕月飞行时拍下的。但是拍摄地球照片还有更重要的用途。一些卫星每天不停地拍摄地球照片,它们的“作品”出现在每天许多人收看的天气预报节目中,这类卫星就是气象卫星。

  自从1959年以来,已经有数十颗气象卫星发射升空。它们主要有两种:一种是静止轨道气象卫星,它们就像通讯卫星那样,停留在赤道上空距离地球3.6万公里的地方,从固定的位置上拍摄地球的照片。另外一种是极轨卫星,它们的轨道穿过南北极上空,由于地球的自转,这种卫星会不断扫过地球表面,可以提供更精细的图像。

  气象卫星的照片可以帮助气象学家准确地预测未来的天气——在太空中观察气象具有不可比拟的优势。例如,你可以很容易发现一个台风诞生和运动的轨迹。气象卫星的照片主要显示云的变化,但是它们也能提供其他的信息,包括沙尘暴、大气污染、降雪,海洋洋流甚至火山爆发的情况。

  卫星照片也可以用于环境保护。例如,今年6月,美国科学家利用卫星照片评估了非洲中部地区的森林被砍伐的状况。他们使用过去30年间陆地资源卫星(Landsat)拍摄的照片,研究了刚果盆地伐木道路的扩展情况。伐木道路可以当做测量原始森林被砍伐情况的一个指标。结果,他们发现该地区的森林砍伐区域正在迅速扩展。在实地详细记录森林被砍伐的情况似乎是不太可能的,卫星照片为科学家监视森林保护的状态提供了一种简便易行的手段。

  通讯卫星:在地球任何角落都能与人取得联系

  与我们生活关系最密切的太空技术或许就是通讯卫星。有趣的是,用卫星传播广播电视信号的概念早在斯普特尼克1号上天之前就出现了。1945年,英国的一位空军军官阿瑟·C·克拉克(后来成了著名的科幻小说作家)首先提出了用卫星在地球之外进行无线电信号中继的概念。

  克拉克指出,在距离地球约3.6万公里的赤道上空放置卫星,可以实现与地球“同步”。这在后来被称做地球静止轨道。也就是说,从地面上看去,卫星始终固定在天空的某一个位置上。如果你要接收这种卫星的信号,只需要一次性地把天线指向特定的位置,不用再次调节。(在地面观察者看来,极地轨道卫星在天空中的位置是不断变化的,因此需要不断调节天线的方向才能跟踪到卫星。)克拉克还提到了把三颗卫星按照等间距(120度)的方式放置在地球静止轨道上,就能实现覆盖全球(除了南北极的一些地区)的通讯。

  1962年,美国发射了由美国、英国和法国合作研制的通讯卫星“电星1号”(Telstar1),这颗近似球形的卫星运行在一个椭圆形的倾斜轨道上,只能断断续续地提供跨大西洋的信号中继服务。直到1964年,美国的“辛康3号”卫星才实现了克拉克的预言。这颗地球静止轨道通讯卫星位于东经180度赤道上空(位于太平洋之上)。它参与了1964年东京奥运会的电视转播工作,这是电视信号首次越过太平洋。

  此后,通讯卫星的数量不断增加,功能也越来越强大。在大容量的海底光缆兴起之后,卫星通讯仍然是一种补充的通讯手段。对于电视节目而言,通讯卫星仍然是最主要的传播方式之一。“地球村”这一概念的诞生,也要部分地归功于通讯卫星。

  还有另一类特别的通讯卫星,它们可以提供面向个人的电话服务。这类卫星中最著名的是“铱星”,这是一个由77颗卫星组成的低轨道“星座”(和铱原子的核外电子数相同,故被命名为“铱星”)。在理论上,使用手持式的卫星电话设备,人们能在地球的任何角落取得联系。它的优势体现在缺乏通讯设施的偏远地区,例如沙漠和无人区。(我们平常使用的移动电话不是通过卫星而是通过地面的基站转发的。)类似的卫星还有国际海事卫星。

  全球定位系统:为你的出行准确导航

  卫星定位技术中,最著名的是美国的全球定位系统(GPS)。这是一个最初为军事目的设计的卫星系统,例如可以为巡航导弹导航,但是从20世纪80年代开始,美国逐渐免费开放了GPS供民用,2000年后,又提高了民用定位信号的精确度。随着电子技术的发展,如今的GPS接收设备只有火柴盒大小。利用几颗GPS卫星提供的导航信号,GPS设备可以立刻计算出所处的位置。这一技术已经促进了电子地图的发展,许多汽车安装了GPS设备,用于道路导航。

  另外,GPS也是爱因斯坦的胜利。GPS卫星携带了一个小型原子钟,它产生的时间信号对准确定位至关重要。然而根据相对论,在太空中运行的原子钟不可避免地会改变运行的速度。因此GPS卫星的原子钟需要根据相对论效应进行调整,而且相对论可以很完美地解决这个问题。

  燃料电池:清洁高效的能源装置

  还有一种转为民用的太空技术是燃料电池。20世纪中期,美国的载人航天及登月计划需要为飞船找到一种合适的发电装置。普通的电池过于笨重,太阳能电池当时的效率又不高。最终美国宇航局看中了燃料电池。早在19世纪就有科学家提出了燃料电池的原理,但直到20世纪50年代它才逐渐变成现实。阿波罗登月计划采用的是一种氢氧燃料电池。氢和氧在催化剂的作用下发生电化学反应,这个过程会输出电能,供飞船使用。采用燃料电池还有一个额外的优点:它的反应产物是水,可供宇航员饮用。

  如今,燃料电池正在成为一种新兴的能源装置。一些公司开发的试验性质的燃料电池可以让笔记本电脑运行更长时间,远远超过目前的锂电池。更吸引人的应用领域是汽车。利用燃料电池驱动的汽车不会排放污染环境的废气,而且它的能源利用效率也更高。尽管燃料电池汽车还没有商业化,它的美好前景还是吸引了许多科学家对其加以改进。

  太空望远镜:让人类获得更多地面无法获得的信息

  自从1990年这个以美国天文学家埃德温·哈勃命名的望远镜进入太空以来,它已经成为最多产的天文望远镜之一。这要归功于它的环境优势:在距离地面数百公里的轨道上,它不会受到大气层的干扰。大气层在保护人类的同时,也过滤掉了大量珍贵的来自宇宙的信息。地面上的光学天文望远镜因此望尘莫及。哈勃望远镜的重大发现包括拍摄到了遥远星系的“引力透镜”和新的恒星诞生的“摇篮”等等。天文学家越来越热衷于把望远镜送入太空,从而获得更多在地面上无法获得的信息。

  除此之外,还有其他一些太空技术转为民用。在美国实施“水星”载人飞行计划的时期,地面的人们对宇航员在太空中的生理状态知之甚少。在后来为阿波罗登月计划做准备的“双子座”载人飞行计划中,使用了新的生理监视系统,人们可以在地面上监视宇航员的心跳和呼吸等生理状态。如今,这类系统已经被广泛用于病人特别是重症病人的监护。

  促进人类对整个宇宙的理解

  20世纪60年代,美国发射了一系列代号Vela的核试验监测卫星,用于监视苏联对1963年签署的《部分禁止核试验条约》的履行情况。这种卫星在无意间发现了现代天文学的一个疑案。在卫星开始监视工作之后,它发现了一类伽马射线(一种波长极短的电磁波,也是核爆炸的迹象之一)突然增强然后减弱的现象,但是这显然并不是核爆炸造成的,它每天可能出现一、两次,而且来自宇宙空间。

  这种奇异的现象直到1973年Vela卫星的观测资料解密才为科学家所知。它很快就引起了科学家的兴趣。当时没有人知道这种宇宙伽马射线暴究竟是什么造成的。上世纪90年代后,科学家开始倾向于认为我们所观测到的伽马射线暴都来自于银河系之外,一次伽马射线暴释放的能量十分巨大,它是宇宙中最暴力的事件之一。如今,科学家认为伽马射线暴可能是大质量恒星死亡并坍塌成黑洞时出现的现象。

  除了科学上的理解,对太空的探索也促进了人类对自身的反思。来自各国的宇航员在太空中看到地球美丽而脆弱的形象之后,都由衷地表示应该珍惜、爱护人类这个迄今为止唯一的家园。

  对其他行星的拜访也让我们更加了解太阳系的历史。人类曾一度认为金星上也有适宜的环境,但是20世纪60年代以来对金星的探测已表明,金星经历了一场失控的温室效应,今天金星表面温度超过了500摄氏度,可以把金属铅熔化。对火星的探测也有类似的意义。科学家已经有很大的把握认为火星上曾经也有大量的液态水。或许移民火星还是过于遥远的事情,至少,这些发现越来越显示出保护地球的重要意义。(据沈阳网 文/柯南)

 

 

 

 

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