太空技術改變生活:從衛星到太空望遠鏡


    在蘇聯的“斯普特尼克1號”衛星上天50年后,盡管“太空”對于普通人似乎仍是一個遙不可及的名字,太空技術實際上已經對人類生活的很多方面產生了影響。

      今天,“太空科技”這個詞幾乎成了一種欺騙的代名詞。如果你聽到某種產品夸夸其談的廣告,聲稱自己使用了美國宇航局的“太空科技”,多半你會自己檢查一下它到底是不是在騙人。

      但是,不可否認的是,自從“斯普特尼克1號”發射升空以來,太空技術已經改變了人類的歷史,并且仍然在改變著我們的生活。

      衛星照片:讓救災、氣象監測變得簡單有效

      2005年10月,巴基斯坦發生了7.6級大地震,數萬人在這場百年不遇的地震中喪生。災后救援成了當時一個非常緊急的任務。一些救援人員想到了此前一個叫做GoogleEarth的軟件有可能為救援提供幫助。

      Google Earth最初是由美國加州一家小型公司開發的衛星照片瀏覽軟件,后來被Google公司收購,于2005年重新發行。這一軟件此前是網民手中的玩具,它擁有一個可以隨意縮放的三維界面,可以讓使用者很方便地察看地球上一些地區的高分辨率衛星照片。

      此時,巴基斯坦地震災區在GoogleEarth上還沒有高分辨率的圖像。此前, Google Earth曾在2005 年9月的美國新奧爾良洪災救災中發揮過作用。美國海洋和大氣管理局派出了一架無人駕駛飛機,拍攝了新奧爾良受災地區的航空照片,這些照片被發表在GoogleEarth上面。巴基斯坦沒有災區的航空照片,但是在地震發生之后幾天,災區的衛星照片被更新到了GoogleEarth上。利用這些最新的災區照片,救援人員可以更好地了解災區的情況。

      Google Earth所使用的衛星照片來自幾家商業衛星照片公司。這些公司使用的是民用陸地成像衛星,例如Quickbird和IKONOS衛星,它們可以提供分辨率在1米左右的陸地照片。這是軍事偵察衛星的簡化版。長久以來,軍事大國都擁有自己的軍事偵察衛星,可以拍攝地面的精細照片。但是只是在不久之前,才有像GoogleEarth這樣把大量衛星照片提供給公眾使用的服務。類似的服務還包括美國宇航局(NASA)的WorldWind軟件。一幅最知名的地球照片是阿波羅8號飛船的宇航員在繞月飛行時拍下的。但是拍攝地球照片還有更重要的用途。一些衛星每天不停地拍攝地球照片,它們的“作品”出現在每天許多人收看的天氣預報節目中,這類衛星就是氣象衛星。

      自從1959年以來,已經有數十顆氣象衛星發射升空。它們主要有兩種:一種是靜止軌道氣象衛星,它們就像通訊衛星那樣,停留在赤道上空距離地球3.6萬公里的地方,從固定的位置上拍攝地球的照片。另外一種是極軌衛星,它們的軌道穿過南北極上空,由于地球的自轉,這種衛星會不斷掃過地球表面,可以提供更精細的圖像。

      氣象衛星的照片可以幫助氣象學家準確地預測未來的天氣——在太空中觀察氣象具有不可比擬的優勢。例如,你可以很容易發現一個臺風誕生和運動的軌跡。氣象衛星的照片主要顯示云的變化,但是它們也能提供其他的信息,包括沙塵暴、大氣污染、降雪,海洋洋流甚至火山爆發的情況。

      衛星照片也可以用于環境保護。例如,今年6月,美國科學家利用衛星照片評估了非洲中部地區的森林被砍伐的狀況。他們使用過去30年間陸地資源衛星(Landsat)拍攝的照片,研究了剛果盆地伐木道路的擴展情況。伐木道路可以當做測量原始森林被砍伐情況的一個指標。結果,他們發現該地區的森林砍伐區域正在迅速擴展。在實地詳細記錄森林被砍伐的情況似乎是不太可能的,衛星照片為科學家監視森林保護的狀態提供了一種簡便易行的手段。

      通訊衛星:在地球任何角落都能與人取得聯系

      與我們生活關系最密切的太空技術或許就是通訊衛星。有趣的是,用衛星傳播廣播電視信號的概念早在斯普特尼克1號上天之前就出現了。1945年,英國的一位空軍軍官阿瑟·C·克拉克(后來成了著名的科幻小說作家)首先提出了用衛星在地球之外進行無線電信號中繼的概念。

      克拉克指出,在距離地球約3.6萬公里的赤道上空放置衛星,可以實現與地球“同步”。這在后來被稱做地球靜止軌道。也就是說,從地面上看去,衛星始終固定在天空的某一個位置上。如果你要接收這種衛星的信號,只需要一次性地把天線指向特定的位置,不用再次調節。(在地面觀察者看來,極地軌道衛星在天空中的位置是不斷變化的,因此需要不斷調節天線的方向才能跟蹤到衛星。)克拉克還提到了把三顆衛星按照等間距(120度)的方式放置在地球靜止軌道上,就能實現覆蓋全球(除了南北極的一些地區)的通訊。

      1962年,美國發射了由美國、英國和法國合作研制的通訊衛星“電星1號”(Telstar1),這顆近似球形的衛星運行在一個橢圓形的傾斜軌道上,只能斷斷續續地提供跨大西洋的信號中繼服務。直到1964年,美國的“辛康3號”衛星才實現了克拉克的預言。這顆地球靜止軌道通訊衛星位于東經180度赤道上空(位于太平洋之上)。它參與了1964年東京奧運會的電視轉播工作,這是電視信號首次越過太平洋。

      此后,通訊衛星的數量不斷增加,功能也越來越強大。在大容量的海底光纜興起之后,衛星通訊仍然是一種補充的通訊手段。對于電視節目而言,通訊衛星仍然是最主要的傳播方式之一!暗厍虼濉边@一概念的誕生,也要部分地歸功于通訊衛星。

      還有另一類特別的通訊衛星,它們可以提供面向個人的電話服務。這類衛星中最著名的是“銥星”,這是一個由77顆衛星組成的低軌道“星座”(和銥原子的核外電子數相同,故被命名為“銥星”)。在理論上,使用手持式的衛星電話設備,人們能在地球的任何角落取得聯系。它的優勢體現在缺乏通訊設施的偏遠地區,例如沙漠和無人區。(我們平常使用的移動電話不是通過衛星而是通過地面的基站轉發的。)類似的衛星還有國際海事衛星。

      全球定位系統:為你的出行準確導航

      衛星定位技術中,最著名的是美國的全球定位系統(GPS)。這是一個最初為軍事目的設計的衛星系統,例如可以為巡航導彈導航,但是從20世紀80年代開始,美國逐漸免費開放了GPS供民用,2000年后,又提高了民用定位信號的精確度。隨著電子技術的發展,如今的GPS接收設備只有火柴盒大小。利用幾顆GPS衛星提供的導航信號,GPS設備可以立刻計算出所處的位置。這一技術已經促進了電子地圖的發展,許多汽車安裝了GPS設備,用于道路導航。

      另外,GPS也是愛因斯坦的勝利。GPS衛星攜帶了一個小型原子鐘,它產生的時間信號對準確定位至關重要。然而根據相對論,在太空中運行的原子鐘不可避免地會改變運行的速度。因此GPS衛星的原子鐘需要根據相對論效應進行調整,而且相對論可以很完美地解決這個問題。

      燃料電池:清潔高效的能源裝置

      還有一種轉為民用的太空技術是燃料電池。20世紀中期,美國的載人航天及登月計劃需要為飛船找到一種合適的發電裝置。普通的電池過于笨重,太陽能電池當時的效率又不高。最終美國宇航局看中了燃料電池。早在19世紀就有科學家提出了燃料電池的原理,但直到20世紀50年代它才逐漸變成現實。阿波羅登月計劃采用的是一種氫氧燃料電池。氫和氧在催化劑的作用下發生電化學反應,這個過程會輸出電能,供飛船使用。采用燃料電池還有一個額外的優點:它的反應產物是水,可供宇航員飲用。

      如今,燃料電池正在成為一種新興的能源裝置。一些公司開發的試驗性質的燃料電池可以讓筆記本電腦運行更長時間,遠遠超過目前的鋰電池。更吸引人的應用領域是汽車。利用燃料電池驅動的汽車不會排放污染環境的廢氣,而且它的能源利用效率也更高。盡管燃料電池汽車還沒有商業化,它的美好前景還是吸引了許多科學家對其加以改進。

      太空望遠鏡:讓人類獲得更多地面無法獲得的信息

      自從1990年這個以美國天文學家埃德溫·哈勃命名的望遠鏡進入太空以來,它已經成為最多產的天文望遠鏡之一。這要歸功于它的環境優勢:在距離地面數百公里的軌道上,它不會受到大氣層的干擾。大氣層在保護人類的同時,也過濾掉了大量珍貴的來自宇宙的信息。地面上的光學天文望遠鏡因此望塵莫及。哈勃望遠鏡的重大發現包括拍攝到了遙遠星系的“引力透鏡”和新的恒星誕生的“搖籃”等等。天文學家越來越熱衷于把望遠鏡送入太空,從而獲得更多在地面上無法獲得的信息。

      除此之外,還有其他一些太空技術轉為民用。在美國實施“水星”載人飛行計劃的時期,地面的人們對宇航員在太空中的生理狀態知之甚少。在后來為阿波羅登月計劃做準備的“雙子座”載人飛行計劃中,使用了新的生理監視系統,人們可以在地面上監視宇航員的心跳和呼吸等生理狀態。如今,這類系統已經被廣泛用于病人特別是重癥病人的監護。

      促進人類對整個宇宙的理解

      20世紀60年代,美國發射了一系列代號Vela的核試驗監測衛星,用于監視蘇聯對1963年簽署的《部分禁止核試驗條約》的履行情況。這種衛星在無意間發現了現代天文學的一個疑案。在衛星開始監視工作之后,它發現了一類伽馬射線(一種波長極短的電磁波,也是核爆炸的跡象之一)突然增強然后減弱的現象,但是這顯然并不是核爆炸造成的,它每天可能出現一、兩次,而且來自宇宙空間。

      這種奇異的現象直到1973年Vela衛星的觀測資料解密才為科學家所知。它很快就引起了科學家的興趣。當時沒有人知道這種宇宙伽馬射線暴究竟是什么造成的。上世紀90年代后,科學家開始傾向于認為我們所觀測到的伽馬射線暴都來自于銀河系之外,一次伽馬射線暴釋放的能量十分巨大,它是宇宙中最暴力的事件之一。如今,科學家認為伽馬射線暴可能是大質量恒星死亡并坍塌成黑洞時出現的現象。

      除了科學上的理解,對太空的探索也促進了人類對自身的反思。來自各國的宇航員在太空中看到地球美麗而脆弱的形象之后,都由衷地表示應該珍惜、愛護人類這個迄今為止唯一的家園。

      對其他行星的拜訪也讓我們更加了解太陽系的歷史。人類曾一度認為金星上也有適宜的環境,但是20世紀60年代以來對金星的探測已表明,金星經歷了一場失控的溫室效應,今天金星表面溫度超過了500攝氏度,可以把金屬鉛熔化。對火星的探測也有類似的意義?茖W家已經有很大的把握認為火星上曾經也有大量的液態水;蛟S移民火星還是過于遙遠的事情,至少,這些發現越來越顯示出保護地球的重要意義。(據沈陽網 文/柯南)

     

     

     

     

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