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“硬核科学奶爸”手绘你一定能看懂的宇宙科学讲解图

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大千世界 发表于 2019-4-20 09:22 | 只看该作者 回帖奖励 |倒序浏览 |阅读模式

“硬核科学奶爸”手绘你一定能看懂的宇宙科学讲解图





本帖最后由 大千世界 于 2019-4-20 09:32 编辑

  2019年04月18日 09:28 科学大家

  

  

  出品| 新浪科技《科学大家》

  撰文| 王元卓 中国科学院计算技术研究所研究员、博士生导师,大数据研究院院长

  科幻电影《流浪地球》票房已突破46亿,其相关的话题也都得到了广泛关注。大年初三我带女儿看完电影后,给女儿讲解时的几张手绘讲解图,出乎意料地得到了众多媒体和广大网友的关注,据统计已有数十万篇相关报道,超过1亿人次阅读,并引起数万人开展热议。这些数字和众多网友们的留言都给了我极大触动,真切地希望能用手绘的形式,向青少年介绍科学知识,培养科学思维意识,激发孩子们对科学问题的思考。

  通过将网友关注的问题和几十位小朋友提出问题整理成的10个关于宇宙的科学知识点绘制成讲解图,希望能为孩子们和广大朋友做些力所能及的事。

  知识点一:什么是太阳系?生命存在的条件是什么?

  

  (点击查看高清大图)

  我们先来了解太阳系。太阳系是由太阳、八大行星、行星卫星、小行星、彗星和流星体以及行星物质构成的天体系统。

  它共有8颗环绕地球飞行的行星,按照距离太阳的距离,它们分别是:水星、金星、地球、火星、木星、土星、天王星和海王星。其中,水星、金星、地球和火星是属于类地行星,它们的构造都很相似:中央核心以铁为主,且大部分为金属,外围是以硅酸盐为主的地壳。

  与类地行星对应的是类木行星,包括:木星、土星、天王星和海王星,类木行星为类似木星的气体行星,体积较类地行星行星更大。太阳的8大行星中木星体积最大,相当于1300个地球,大气层中有80%的氢气;土星次之,相当于830个地球,被称为圆环行星;天王星有65个地球大,是人类肉眼能看到最远的行星;海王星有58个地球大,是离太阳最远的行星;金星大小与地球相仿,是表面温度最高的行星;水星是太阳系最小的行星;火星的半径是地球的一半,自转轴倾角、自转周期均与地球相近。

  地球的稳定生态环境,在很大程度上又赖于地球表面大气层的覆盖,大气层的厚度大约在1000公里以上,但没有明显界限。地球的卫星和飞行器通常可以在三种高度的轨道上飞行。距离地面最近的是低地球轨道,它的高度在2000公里以下;比它距地面更远一些的是中地球轨道,大概距地面2000~20000公里,它们都是非同步轨道;地球同轨道,距地面36000公里,因为在此轨道的卫星绕地球运行周期与地球自转同步,与地球之间处于相对静止的状态。

  生命存在的一般条件包括:阳光、水、空气和适宜的温度。在已观测到的星体中还没有发现有地外生命存在的迹象,不过在太阳系中,也还是有一些星体具有生命存在的部分条件,比如:火星地下有盐水湖,如果能在地下找到淡水,则有可能存在生命;木卫二是木星的第二颗卫星,它的体积与月球相当,表面极厚冰壳下有液态水层,受木星潮汐作用加热,基本能满足生命所需的条件;土卫六是土星的第六颗卫星,体积比水星还大,浓密的含氮大气层下是一个与古地球非常相似的由碳氢物质组成的有机物表面。

  知识点二:太阳的结构是什么?如何演化的?

  

  (点击查看高清大图)

  了解了太阳系的构成后,下面我们开始深入了解迫使地球流浪的元凶——太阳。太阳是宇宙中很普通的恒星,它不但要自转还得围绕着银河系公转,它的直径大约有139万公里,相当于地球直径的109倍。太阳由内至外主要由日核、辐射层和对流层构成。日核占太阳半径的1/4,质量的一半,温度达1500万℃,随时都在进行着4个氢核聚变成一个氦核的核聚变反应。辐射层从日核到0.71个地球半径的区域,形成可见光传向太阳表面。对流层的厚度约15万千米,辐射层传来的能量,在这里以对流的形式传出去。

  图中画出的核聚变反应是人类目前能够操纵的核聚变反应,是由氢的同位素氘和氚原子核结合成较重的氦原子核,并放出巨大能量,核聚变前后质子和中子数量都保持不变。而太阳的氢核聚变反应虽然与此类似但又复杂很多,通常太阳内部聚集了极大的压力和温度,使得氢原子外的电子云结构坍塌,两个氢原子核克服斥力聚合在一起形成氘核,这是太阳内部聚变反应的第一步,同时发生了质量亏损,释放出热量,紧接着氘核和氢核又被挤压到一起,发生聚变,反应生成氦3,继续放热,最后两个氦3聚变形成氦4并且放出2个中子,太阳的核聚变反应释放出大量的能量。

  太阳是一颗黄矮星,也是有生命周期的,黄矮星的寿命大致为100亿年。下面我们就来看一下太阳演变过程。大约在50亿年前银河系里的一颗恒星发生爆炸,形成了太阳星云。在引力的作用下,太阳星云不断收缩,体积越缩越小,密度也越来越大,中心温度也越来越高,当中心温度达到10000℃时,形成了原始恒星。当原始恒星的温度继续升高达到1000万℃时,触发了氢核聚变反应,太阳就此诞生了,诞生距今大约46亿年了,目前我们看到的太阳已经进入恒星的主序星阶段,也就是正值太阳壮年时期。

  再过大约54年后,太阳的生命周期接近尾声,氢燃烧殆尽,氦闪将会发生。氦闪是在中等质量恒星的核心,或是白矮星表面堆积的氦突然开始的核聚变,核心温度变得越来越高,太阳就逐渐变成一颗巨大但暗淡的红巨星,太阳的外层将向太阳系膨胀,将远远大于现在的太阳,太阳系内侧行星将会被吞噬,直到最后太阳骤然停止燃烧,变成白矮星。这就是《流浪地球》原著中写的:“太阳内部氢转化为氦的速度突然加快,太阳的演化已向主星序外偏移,氦元素的聚变将在很短的时间内传遍整个太阳内部,由此产生一次叫氦闪的剧烈爆炸”。

  那么再过54亿年地球一定会被变成红巨星的太阳吞噬吗?我们鼓励各位读者朋友都能尝试着进行推演,一切能自圆其说的结果都是可能发生的,比如说:如果地球与太阳中心的相对距离保持不变,那太阳外部向外膨胀时必将吞噬地球,甚至都不用红巨星的边缘接触地球,高温早就将地球汽化了。

  但是如果54亿年后地球与太阳的距离已经足够远了,红巨星的高温不会或者较小的影响到地球也是可能的。根据观测,由于太阳的高温燃烧,存在着自太阳向外的“太阳风”,目前的太阳风每年会将地球推离太阳1.6厘米,那么随着太阳燃烧的加剧太阳风也会随之加剧,加之漫长的几十亿年的时间,也许到时地球不会被红巨星吞噬。但最终失去太阳的地球也很难再维持生命的延续。几十亿年后的事,一切皆有可能。

  知识点三:地球的结构是什么?又是如何运动的?

  

  (点击查看高清大图)

  如果太阳真的会变成红巨星,并对地球构成威胁,那么地球将有可能开启流浪的旅程,那首先要深入了解我们居住了千百万年的地球。地球是由三部分组成,分别为地壳,地幔,地核。地壳是地球表面以下、莫霍面以上的固体外壳,由岩层构成,最薄一层,平均厚度17公里。地幔是地球的中间层,由造岩物构成,体积最大,质量也最大的一层,平均厚度2865公里。分成上地幔和下地幔两层。上地幔顶部存在一个软流层,可能是岩浆发源地。地核是最厚一层,平均3400公里,分为外地核、过渡层和内地核三层,外地核厚度约2080公里,大致成液态,可流动;过渡层的厚度约140公里;内地核是一个半径为1250公里的球心,大致是固态的。

  目前,地球在自转的同时围绕着太阳进行周期性的转动。地球绕自转轴自西向东的转动,从北极点上空看呈逆时针旋转,从南极点上空看呈顺时针旋转。水池放水漩涡能够看出旋转方向。地球自转轴与黄道面成66.34度夹角,与赤道面垂直。自转一周23小时56分4秒。风的季节性变化导致春天转的慢,秋天转的快。潮汐摩擦导致越转越慢,据推算,二亿年后,一年仅有三百天,一天会变成三十小时。

  同时地球以每秒29.79公里的速度,沿着一个椭圆绕着太阳公转,走完大约9.4亿公里的一圈路程要花365天又5小时48分46秒,即大约一年。地球离太阳平均1.5亿公里。每年1月初近日点跑得快,7月初远日点跑得慢。由于公转轨道是一个椭圆,且太阳并不在椭圆中心位置,所以地球上的一年四季不一样长。

  由春天到秋天,公转速度较慢,需要186天多,长于全年的一半,此时是北半球的夏半年和南半球的冬半年;由秋天到春天,速度较快,需要179天,短于全年的一半,此时是北半球的冬半年和南半球的夏半年。

  地球想要流浪首先要停止地球的自转,每个行星发动机通过“烧石头”产生的重核聚变能够产生150万亿吨的推力,产生的加速度是0.000000025 米/秒。在赤道附近的转动速度大约就是每秒460米。当1万台发动机同时开始工作,需要218569天(大约600年)的时间才能够让地球停止。

  一旦地球停止自转,首先每一个白天和黑夜将持续半年,甚至是因为被太阳引力锁定,一面永远是白天,一面永远是黑夜。其次,由于惯性作用,大气层继续运动,会产生强烈飓风,另外,引力导致海水上涨,带来巨大潮汐。

  知识点四:如何在地下城生活?需要克服哪些困难?

  

  (点击查看高清大图)

  在流浪的旅途中,人们都生活在位于地下5公里处的地下城中,地下城需要考虑生存居住的必须条件。

  首先是地下城的温度问题,地壳向下每公里地温增加25-30℃,所以地下5公里,地温大概是125-150℃。估计修建地下城最需要的,是制冷设备吧。

  第二是通风问题,高质量的空气是室内人员健康的保证。对于室内长期低浓度的污染,人的肌体没有抵御手段,被动的吸入众多污染物而损害健康,通过技术平衡空气中氧气、二氧化碳、悬浮颗粒等成分。

  第三,由于水资源有限必须设计好水循环系统。给水、排水系统组成一个闭路循环的用水系统,将产生的废水,经适当处理后重复使用,不补充或少量补充新鲜水,而不排放或少排放废水的用水方式。第四,人造光源为农作物提供光合作用的必须条件。光荷载作用是指绿色植物利用太阳的光能,同化二氧化碳和水制造有机物质并释放氧气的过程。光合作用所产生的有机物主要是碳水化合物,并释放出能量。

  最后,电影中的美食蚯蚓干,并非难以接受,蚯蚓其实是一种营养非常丰富的食物。蚯蚓干中含有54.6–59.4%的蛋白质,富含所有的必需氨基酸,属于优质蛋白,它的氨基酸组成甚至优于牛奶、豆浆和一些鱼类。

  一旦居住在地下,地球停止自转逃离太阳,那么我们熟悉的四季更替将不再存在。四季的形成是因为地球的自转轴与地球绕太阳公转面之间有一个夹角(23°26′),当地球绕太阳公转时,太阳直射到地球的位置在南回归线到北回归线之间。太阳直射时,地球表面获得的热量高,气温高,为夏季;反之,太阳斜射时,地球表面获得的热量低,为冬季。当地球停止自转并且脱离太阳系,想要看到四季景色只能通过模拟屏幕来实现了。

  地下城并不是万无一失,还有一些危险需要我们保持警惕。首先是岩浆,岩浆产生于上地幔和地壳深处,高温粘稠的主要成分为硅酸盐的熔融物质。据测定,岩浆的温度一般在900-1200℃之间,最高可达1400℃。

  同时需要担心地震。大陆地区地下5公里的地方,绝大部分都是坚硬的岩石。在这儿修建地下城,因为是嵌固在四周的地壳岩石中的,所以在地震发生时收到的地震倾覆力矩相对地面的建筑物要小的多,从建筑的结构抗震来讲相对容易满足要求。同时考虑是否有活动断层穿过,活动断层不仅与地震的发生关系密切,而且断裂的活动对于这些地下结构及建筑物的安全会产生致命地破坏。

  知识点五:光速究竟有多快?

  

  (点击查看高清大图)

  光速究竟有多快?先来看一下,我们以身边的交通工具的通常速度:汽车速度平均60公里每小时,火车速度300公里每小时,飞机速度900公里每小时,火箭速度4.2公里每秒,宇宙飞船速度70公里每秒,光速则达到了300000公里每秒,相当于我们高铁速度的3600000倍。

  当飞行速度达到7.9公里每秒,即达到第一宇宙速度,这时可以环绕地球飞行,成为地球卫星。当速度达到11.2公里每秒,即达到第二宇宙速度,这时可以脱离地球,成为环绕太阳运动的“人造行星”。当速度达到16.7公里每秒,即达到第三宇宙速度,可以飞出太阳系。当速度达到110到120公里每秒,即第四宇宙速度,可以飞出银河系。而第五宇宙速度是航天器从地球发射,飞出本星系群的最小速度。由于本星系群的半径、质量均未有足够精确的数据,所以无法估计数据大小。

  地球距离目的地半人马座比邻星4.22光年。光年是长度单位,并不是速度单位,是光在宇宙真空中沿直线传播了一年时间的距离,一般被用于衡量天体间的时空距离。常见的客机时速大约是每小时885千米,这样飞1光年则需要1220330年。地球到太阳距离0.0000158光年;地球到天狼星距离8.6光年;地球到银河系中心:2.6万光年,银河系半径约为7000光年。按引力影响算,太阳系的半径可达2光年,按冥王星的轨道为边界,半径是59亿千米,直径是118千米(约0.00025光年)。

  人类最快的飞行器-旅行者1号,速度大约为17千米/秒,6小时即可抵达月球,37天抵达火星,101天抵达太阳,17亿6千4百万年横穿银河系。以人类目前科技水平尚不足以进行光速飞行。存在两大限制。

  第一,根据狭义相对论的质量公式,运动物体的质量会比它静止时更大。越接近光速,质量越接近无限大。

  第二,当给一个物体加速时,所施加的能量有一部分会转化成物体的质量,更大的质量会进一步阻碍加速。最终无限接近光速就需要无限大的能量。未来我们有可能通过曲率飞行达到光速飞行,利用弯曲空间的弹性推动飞船高速前行,只要调节空间拉伸与弯曲程度即可几乎无限制地增加速度。

  知识点六:为什么要去比邻星定居?

  

  (点击查看高清大图)

  要了解离太阳系最近的恒星——比邻星,首先要了解太阳系所处的银河系。在可观测的宇宙中,星系的总数可能超过1千亿,最古老的距今135.5亿年,最大的星系距地球大约10.7亿光年,直径560万光年,相当于银河系直径50多倍。

  银河系中包括1200亿颗恒星和大量的星团、星云,还有星际气体和尘埃,太阳系就位于银河系中。银河系直径约有10万光年,总质量约为太阳质量的1400亿倍。银河系是中间厚、边缘薄,呈扁平状,通常我们看到的银河其实只是银河系的一部分,位于天鹰座和天赤道相交处。

  在北半天球,它经过天鹅等星座,跨入天赤道,再往南经过南十字、天蝎、人马等星座。银河系是巨大的棒旋星系,其内的恒星、气体和尘埃等分布成漩涡状,这种旋涡被称为旋臂,太阳系位于猎户臂内,人马臂和英仙臂之间。

  在前面介绍的“知识点一”中,我们介绍了太阳系的八大行星,在八大行星之外,太阳系还存在着很多其他的星体。流浪地球要想从太阳系飞行到比邻星,还必须通过太阳系边缘的柯伊伯带和奥尔特星云。

  柯伊伯带是一个由像彗星一样的天体组成的环,这些天体由岩石、冰河尘埃组成,位于太阳系的尽头。奥尔特星云是大约50亿年前形成的星云,包围着太阳系,布满了不活跃的彗星,距太阳约50000至100000个天文单位,差不多等于一光年,即太阳与比邻星距离约四分之一。

  比邻星所在的半人马座共有三颗恒星,除了比邻星还有南门二A星和南门二B星,它们都要比比邻星大的多。南门二A星与南门二B星都是黄矮星,之间距离23个天文单位,比邻星则是一颗距离较远红矮星,南门二B星距离比邻星12000个天文单位,相当于0.2光年,这三颗恒星构成了半人马座的“三体”系统。

  虽然比邻星是距离太阳系最近的恒星,但太阳系距离比邻星也有4.22光年,距离南门二A星则有4.24光年。如此遥远的距离,从太阳系飞行到比邻星,如果用目前人类最快空间飞行速度26.4万千米/小时的飞行,总飞行时间要1.7万年,而如果能采用《流浪地球》电影中设定的地球行进的速度最快时可达光速的千分之五计算,总飞行时间也要2500年。

  最后,我们比较一下太阳和比邻星,太阳处于主序星阶段,视星等为26.74 等(视星等是用肉眼看到的星体亮度,它的数值越小亮度越高,反之越暗),直径有140万公里,质量2*10^30千克,年龄46亿岁,温度表面约5700℃;比邻星是一个红矮星,视星等为11等,比太阳要暗很多,直径约为太阳的1/7,质量约为太阳的1/8,年龄48.5亿岁,表面温度约为2800℃。此外,天文学家已经发现比邻星拥有一个围绕其旋转的行星,比邻星是否适合作为新的太阳,还需要回答很多的问题。

  

一直被朋友称为小博士。其实就是书读得多一些而已。

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知识点七:地球流浪计划是否可行?

  

  (点击查看高清大图)

  电影中流浪地球计划分为五个阶段,刹车阶段,逃逸阶段,先流浪阶段,后流浪阶段,新太阳时代,每阶段都会面临各种严峻的挑战。

  阶段1刹车阶段中,行星发动机使地球停止自转。

  阶段2逃逸阶段,全功率开动行星发动机,加速驶出太阳系。为什么选择带着地球逃逸?由于距离太阳系最近的比邻星没有行星,而且最近的有行星的恒星系在850光年外,同时现有技术下人类不具备建造大型、稳定的生态系统技术,所以只能带着地球一起逃逸,寻找新的家园。

  阶段3先流浪阶段,利用太阳和木星完成加速,驶向比邻星。因为质量越大的天体动能交换越多,木星的质量约为地球的318倍,是太阳系中质量最大的行星,而且是适合地球进行引力助推的行星中,距离地球最近的行星,所以选择木星进行加速。利用行星的引力,来改变飞行轨道和速度,即引力弹弓效应。木星公转速度大约13千米/秒,当地球通过木星后,抛开地球发动机带给地球的额外速度叠加,地球获得的速度将至少达到55.8千米/秒,足以完成逃离太阳系。

  在靠近木星的过程中,地球被木星捕获,发生木星坠落,地球差点解体,这是是因为当两个天体的质量和强度存在差异并且距离足够近时,质量较小强度较弱的天体就会被另一个更大天体的潮汐力拉扯解体,该极限距离就是洛希极限。而地木的刚体洛希极限约为6.27万公里。电影中,地球大气与木星大气相距7万公里,所以实际情况下木星的引力并不会把地球撕碎。

  电影中通过点燃了木星逃离了木星的控制,而实际上木星是一颗气态行星,大气中氢含量高达90%,抽取了大量地球氧气后和木星的大气中的大量氢气混合,具备燃烧3个必要条件:爆炸所需的氢气的浓度在4%-70%,但过低的氧气含量仍然无法点燃火星。

  阶段4后流浪阶段,利用500年时间将地球加速到光速的千分之五,然后滑行1300年;然后调转发动机,利用700年进行减速。

  阶段5新太阳时代,地球泊入比邻星轨道,成为比邻星的卫星。

  整个逃逸的过程中,我们发现地球的好伙伴月亮并没有跟我们一起走,这是因为地月引力让地球无法以一个相对静止的状态向前前进,逃离过程中如果月球还跟随地球,那么月球就必须保持同速,否则推进器的工作量就要再加上整个月球,两者的速度如果有差异,就会出现月球和地球相撞的可能。

  知识点八:人类真实的空间站

  

  (点击查看高清大图)

  《流浪地球》电影中“领航员号”空间站被设计成圆形,这种形状是具有一定科学依据的。第一,圆盘状空间站不断旋转,可以模拟地球重力和方向感。第二,在向外离心力作用下,可以将空间站的外围当作地面,在空间站内行走站立。

  而现在我们真实的空间站并不是一个圆形结构,而是像积木一样搭建起来的仓储式设计。空间站以美国、俄罗斯为首,共16个国家参与研制,集积木式和桁架挂舱式构型于一体。每个航天员每年需由地面送去658千克食品、209千克服装。

  国际空间站上的宇航员主要专注于以下几大类研究。第一,对天观测研究,主要研究宇宙射线,亚原子粒子等重要信息,对影响地球环境的天文事件(如太阳耀斑、暗条爆发等)做出快速反应。第二,对地观测研究,利用可见光、红外、高光谱和微波等探测手段,对人类生存所依赖的地球环境及人类活动本身进行的各种探测活动。第三,材料科学研究,这是一门研究在高真空、超洁净、微重力空间环境条件下,材料加工过程的物理规律、材料加工生产及工艺的科学。第四,重力生物学,通过多种参数来判断重力对航天员身体的影响,可提高对人的大脑、神经和骨骼及肌肉等方面的研究水平。

  目前太空中运行的探测器,我们可以分为三大类。第一类是飞经某一行星的探测器。比如,旅行者一号迄今为止人类飞得最远的飞行器,现处在距离太阳211亿公里以外的地方,以每秒17公里的速度逃离太阳系,曾到访过木星及土星,是提供卫星高解像清晰照片的第一艘航天器。第二类是环绕行星运行的探测器,如太阳神1、2号,它们部署在太阳椭圆轨道上,用以研究太阳活动。太阳神2号飞抵太阳近300万千米,创造了0.29天文单位(或4343.2万千米)的距离记录。第三类是在行星上着陆的探测器。海盗1号和2号1975年在火星表面软着陆成功,40分钟后就将第一张火星彩照发回地球。它们分别在火星上工作了六年和三年,对火星进行了考察和拍照,共发回五万多幅火星照片,分辨率高达200米。

  知识点九:空间站如何与地球进行通信?

  

  (点击查看高清大图)

  在这一部分,我们以宇宙空间飞行器与地球的通信为背景,重点介绍无线电通信以及空间站与地球间的通信。

  首先我们先来了解一下常见的电通信方式,根据信号传输方式的不同,可以分为有线电通信和无线电通信。有线电通信是利用导线传输信息的方式,分为明线通信、电缆通信和波导通信,保密性好、稳定,不易受干扰;无线电通信则是利用无线电波传输信息的通信方式,机动性好,但不稳定易受干扰,易被截获。卫星通信则利用人造地球卫星作为中继站来转发无线电波而进行的两个或多个地球站之间的通信。具有覆盖范围广、通信容量大、传输质量好、组网方便迅速等优点,是建立全球个人通信必不可少的手段。

  卫星通信系统是由通信卫星和经该卫星连通的地球站两部分组成。同步通信卫星是目前全球卫星通信系统中最常用的星体,是将通信卫星发射到赤道上空 35860 公里的高度上,使卫星运转方向与地球自转方向一致,并始终和地球保持同步运行状态。同步卫星天线波束最大覆盖面可以达到大于地球表面总面积的三分之一。

  因此,在静止轨道上,只要等间隔地放置三颗通信卫星,其天线波束就能基本上覆盖整个地球(除两极地区外),实现全球范围的通信。无线电通信中所使用的无线电波是电磁波家族中的一员,无线电波的波长越短、频率越高。无线电波在真空中的速度等于光在真空中的速度,因为无线电波和光均属于电磁波,无线电波在空气中的速度略小于光速。联合国教科文卫组织把每年2月13日定为“世界无线电日”。

  基于上述的知识,我们讨论一下“领航员号”空间站与流浪中的地球通信的可能方式。在《流浪地球》电影中“领航员号”空间站是负责导航、预警和通信保障的。它的部分功能相当于通讯卫星。根据电影中的设定,空间站在正对地球南极10万公里远的前方领航。下面列出了几种通信方式。

  方式1:直接通讯,空间站与人类居住的北半球直接通过无线电波通信。但无线电波无法从南半球穿过整个地球到达北半球。故无法实现。

  方式2:卫星通讯,空间站与人类居住的北半球通过中继卫星转发实现通信。但由于地球处于流浪之中,目前的卫星已无法实现与地球同步,故无法实现。

  方式3:超级基站,空间站与南极附近的地面超级基站实现通信,在通过地面基站的转发到达北半球,具有可行性,实现地面中继转发的基站要具有极强的组网通信功能。目前,正在研制的超级基站比传统基站服务能力提升1千倍、资源使用效率提升1千倍。

  传统蜂窝接入主要覆盖“人”,而超级基站可以支持千亿物端的广覆盖、高移动的随遇接入,设备接入能力提高1百倍,覆盖范围从20%的地面,扩展到100%的空天地海,甚至向外太空及星际互联延伸。所以超级基站将有可能被应用于未来的空天地通信领域。

  知识点十:如何进行星际通信?

  

  (点击查看高清大图)

  宇航通信是指以宇宙飞行器或天体为对象的无线电通信。包括宇宙飞行器之间的通信、地球站与宇宙飞行器之间的通信,以及地面上地球站之间通过宇宙飞行器转发或反射进行的通信。

  比如我们的行星探测器“好奇号”正在火星上工作,火星距离地球5500万公里到4亿公里,“好奇号”探测器信号传输单向传输用时14分钟意味着目前的距离是1.54亿英里。

  “好奇号”的主板上有三个无线电系统。其中两个处于7-8GHz的X波段,以60bps至12kbps低数据率将信号传输回地球,主要负责接受指令。第三个是数据调制解调器,运行频率接近400MHz,和绕火星的卫星进行通信。用于将数据转发到地球,它的数据率更高(约为128kbps)。最近升级“漫游者”也只能实现每秒仅大约256千比特的数据传输速率。

  同时为了接受通讯信息,我们搭建了深空网(DSN),一个覆盖全球的巨型测控站网络,用以接受通讯信息,开展行星际探测。深空网包括设在美国加州,西班牙马德里和澳大利亚堪培拉的3座经度间隔120度的大型测控站,保证随着地球的转动,仍然能够对目标保持不间断的监控。

  我们想要联系上空间站必须满足三个条件。条件1,空间站在同一个地区天空中停留10分钟左右,只有在这段时间可以联系上。条件2,空间站无线电传输信号频率为145.80MHz,这是同空间站通讯的波段。条件3,2米左右天线保证信号能够完成发送接收。

  在太空研究中,太空舱内有气体,宇航员可以面对面说话交流。而声音的传播需要介质,在真空中不能传播,所以在太空舱外要靠无线电来对话交谈。

  在太空中漫游的探测器想要同地球联系上就没那么容易了。旅行者1号距离地球超过210亿公里,安装了永远朝向地球的22.4瓦高增益发射器,选择干扰较小的8GHz的无线电频率。每一次通讯,无线电信号都要经过17个小时才能传回地球,只能以每秒160比特的速度缓慢地传回数据,传一张照片可能都要几十分钟。当信号到达地球时仅有十亿亿分之一瓦,口径70米的射电望远镜才能收集到足够强的信号。由于旅行者携带的两枚核电池电量也不是很多了,而且最多将支撑到2025年就会彻底关闭并失去联系。

  我们把范围再次放大,想要实现星际间的通讯,比如从距离太阳最近的恒星(比邻星,约4.22光年)向地球发送功率一瓦的信号,需要一座口径超过50公里的射电望远镜才能接收到。

  上面通过10个知识点,尝试着回答了朋友们最关注的一些问题,希望能对大家有所帮助。在本文讲解图绘制的过程中,得到了很多专家和朋友们的大力支持,在此表示由衷的感谢。

  接下来我会和我的科学助手一起挑选10个经典科幻电影,选择覆盖宇宙空间、物理、量子、生物信息、人工智能、芯片、机器人等多个方面的100个知识点,通过手绘的形式,向青少年介绍科学知识,对影片和知识点的选择也会进一步征集网友朋友们和孩子们的意见。

  我始终认为“做科普的回报,就是让更多地人知道”,坚持画下去需要广大朋友的大力支持和持续关注,力争做成孩子们需要并喜欢的科普读物,真心希望能通过我们的努力,可以在孩子们心中种下一颗科学的种子,有朝一日可以发芽。

一直被朋友称为小博士。其实就是书读得多一些而已。

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