“硬核科學奶爸”手繪你一定能看懂的宇宙科學講解圖

“硬核科學奶爸”手繪你一定能看懂的宇宙科學講解圖
2019年04月18日 09:28 科學大家

  出品| 新浪科技《科學大家》

  撰文| 王元卓 中國科學院計算技術研究所研究員、博士生導師,大數據研究院院長

  科幻電影《流浪地球》票房已突破46億,其相關的話題也都得到了廣泛關注。大年初三我帶女兒看完電影后,給女兒講解時的幾張手繪講解圖,出乎意料地得到了眾多媒體和廣大網友的關注,據統計已有數十萬篇相關報道,超過1億人次閱讀,并引起數萬人開展熱議。這些數字和眾多網友們的留言都給了我極大觸動,真切地希望能用手繪的形式,向青少年介紹科學知識,培養科學思維意識,激發孩子們對科學問題的思考。

  通過將網友關注的問題和幾十位小朋友提出問題整理成的10個關于宇宙的科學知識點繪制成講解圖,希望能為孩子們和廣大朋友做些力所能及的事。

  知識點一:什么是太陽系?生命存在的條件是什么?

 ?。?a target="_blank">點擊查看高清大圖)

  我們先來了解太陽系。太陽系是由太陽、八大行星、行星衛星、小行星、彗星和流星體以及行星物質構成的天體系統。

  它共有8顆環繞地球飛行的行星,按照距離太陽的距離,它們分別是: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、地球和火星是屬于類地行星,它們的構造都很相似:中央核心以鐵為主,且大部分為金屬,外圍是以硅酸鹽為主的地殼。

  與類地行星對應的是類木行星,包括:木星、土星、天王星和海王星,類木行星為類似木星的氣體行星,體積較類地行星行星更大。太陽的8大行星中木星體積最大,相當于1300個地球,大氣層中有80%的氫氣;土星次之,相當于830個地球,被稱為圓環行星;天王星有65個地球大,是人類肉眼能看到最遠的行星;海王星有58個地球大,是離太陽最遠的行星;金星大小與地球相仿,是表面溫度最高的行星;水星是太陽系最小的行星;火星的半徑是地球的一半,自轉軸傾角、自轉周期均與地球相近。

  地球的穩定生態環境,在很大程度上又賴于地球表面大氣層的覆蓋,大氣層的厚度大約在1000公里以上,但沒有明顯界限。地球的衛星和飛行器通??梢栽谌N高度的軌道上飛行。距離地面最近的是低地球軌道,它的高度在2000公里以下;比它距地面更遠一些的是中地球軌道,大概距地面2000~20000公里,它們都是非同步軌道;地球同軌道,距地面36000公里,因為在此軌道的衛星繞地球運行周期與地球自轉同步,與地球之間處于相對靜止的狀態。

  生命存在的一般條件包括:陽光、水、空氣和適宜的溫度。在已觀測到的星體中還沒有發現有地外生命存在的跡象,不過在太陽系中,也還是有一些星體具有生命存在的部分條件,比如:火星地下有鹽水湖,如果能在地下找到淡水,則有可能存在生命;木衛二是木星的第二顆衛星,它的體積與月球相當,表面極厚冰殼下有液態水層,受木星潮汐作用加熱,基本能滿足生命所需的條件;土衛六是土星的第六顆衛星,體積比水星還大,濃密的含氮大氣層下是一個與古地球非常相似的由碳氫物質組成的有機物表面。

  知識點二:太陽的結構是什么?如何演化的?

點擊查看高清大圖

  了解了太陽系的構成后,下面我們開始深入了解迫使地球流浪的元兇——太陽。太陽是宇宙中很普通的恒星,它不但要自轉還得圍繞著銀河系公轉,它的直徑大約有139萬公里,相當于地球直徑的109倍。太陽由內至外主要由日核、輻射層和對流層構成。日核占太陽半徑的1/4,質量的一半,溫度達1500萬℃,隨時都在進行著4個氫核聚變成一個氦核的核聚變反應。輻射層從日核到0.71個地球半徑的區域,形成可見光傳向太陽表面。對流層的厚度約15萬千米,輻射層傳來的能量,在這里以對流的形式傳出去。

  圖中畫出的核聚變反應是人類目前能夠操縱的核聚變反應,是由氫的同位素氘和氚原子核結合成較重的氦原子核,并放出巨大能量,核聚變前后質子和中子數量都保持不變。而太陽的氫核聚變反應雖然與此類似但又復雜很多,通常太陽內部聚集了極大的壓力和溫度,使得氫原子外的電子云結構坍塌,兩個氫原子核克服斥力聚合在一起形成氘核,這是太陽內部聚變反應的第一步,同時發生了質量虧損,釋放出熱量,緊接著氘核和氫核又被擠壓到一起,發生聚變,反應生成氦3,繼續放熱,最后兩個氦3聚變形成氦4并且放出2個中子,太陽的核聚變反應釋放出大量的能量。

  太陽是一顆黃矮星,也是有生命周期的,黃矮星的壽命大致為100億年。下面我們就來看一下太陽演變過程。大約在50億年前銀河系里的一顆恒星發生爆炸,形成了太陽星云。在引力的作用下,太陽星云不斷收縮,體積越縮越小,密度也越來越大,中心溫度也越來越高,當中心溫度達到10000℃時,形成了原始恒星。當原始恒星的溫度繼續升高達到1000萬℃時,觸發了氫核聚變反應,太陽就此誕生了,誕生距今大約46億年了,目前我們看到的太陽已經進入恒星的主序星階段,也就是正值太陽壯年時期。

  再過大約54年后,太陽的生命周期接近尾聲,氫燃燒殆盡,氦閃將會發生。氦閃是在中等質量恒星的核心,或是白矮星表面堆積的氦突然開始的核聚變,核心溫度變得越來越高,太陽就逐漸變成一顆巨大但暗淡的紅巨星,太陽的外層將向太陽系膨脹,將遠遠大于現在的太陽,太陽系內側行星將會被吞噬,直到最后太陽驟然停止燃燒,變成白矮星。這就是《流浪地球》原著中寫的:“太陽內部氫轉化為氦的速度突然加快,太陽的演化已向主星序外偏移,氦元素的聚變將在很短的時間內傳遍整個太陽內部,由此產生一次叫氦閃的劇烈爆炸”。

  那么再過54億年地球一定會被變成紅巨星的太陽吞噬嗎?我們鼓勵各位讀者朋友都能嘗試著進行推演,一切能自圓其說的結果都是可能發生的,比如說:如果地球與太陽中心的相對距離保持不變,那太陽外部向外膨脹時必將吞噬地球,甚至都不用紅巨星的邊緣接觸地球,高溫早就將地球汽化了。

  但是如果54億年后地球與太陽的距離已經足夠遠了,紅巨星的高溫不會或者較小的影響到地球也是可能的。根據觀測,由于太陽的高溫燃燒,存在著自太陽向外的“太陽風”,目前的太陽風每年會將地球推離太陽1.6厘米,那么隨著太陽燃燒的加劇太陽風也會隨之加劇,加之漫長的幾十億年的時間,也許到時地球不會被紅巨星吞噬。但最終失去太陽的地球也很難再維持生命的延續。幾十億年后的事,一切皆有可能。

  知識點三:地球的結構是什么?又是如何運動的?

點擊查看高清大圖

  如果太陽真的會變成紅巨星,并對地球構成威脅,那么地球將有可能開啟流浪的旅程,那首先要深入了解我們居住了千百萬年的地球。地球是由三部分組成,分別為地殼,地幔,地核。地殼是地球表面以下、莫霍面以上的固體外殼,由巖層構成,最薄一層,平均厚度17公里。地幔是地球的中間層,由造巖物構成,體積最大,質量也最大的一層,平均厚度2865公里。分成上地幔和下地幔兩層。上地幔頂部存在一個軟流層,可能是巖漿發源地。地核是最厚一層,平均3400公里,分為外地核、過渡層和內地核三層,外地核厚度約2080公里,大致成液態,可流動;過渡層的厚度約140公里;內地核是一個半徑為1250公里的球心,大致是固態的。

  目前,地球在自轉的同時圍繞著太陽進行周期性的轉動。地球繞自轉軸自西向東的轉動,從北極點上空看呈逆時針旋轉,從南極點上空看呈順時針旋轉。水池放水漩渦能夠看出旋轉方向。地球自轉軸與黃道面成66.34度夾角,與赤道面垂直。自轉一周23小時56分4秒。風的季節性變化導致春天轉的慢,秋天轉的快。潮汐摩擦導致越轉越慢,據推算,二億年后,一年僅有三百天,一天會變成三十小時。

  同時地球以每秒29.79公里的速度,沿著一個橢圓繞著太陽公轉,走完大約9.4億公里的一圈路程要花365天又5小時48分46秒,即大約一年。地球離太陽平均1.5億公里。每年1月初近日點跑得快,7月初遠日點跑得慢。由于公轉軌道是一個橢圓,且太陽并不在橢圓中心位置,所以地球上的一年四季不一樣長。

  由春天到秋天,公轉速度較慢,需要186天多,長于全年的一半,此時是北半球的夏半年和南半球的冬半年;由秋天到春天,速度較快,需要179天,短于全年的一半,此時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轉,每個行星發動機通過“燒石頭”產生的重核聚變能夠產生150萬億噸的推力,產生的加速度是0.000000025 米/秒。在赤道附近的轉動速度大約就是每秒460米。當1萬臺發動機同時開始工作,需要218569天(大約600年)的時間才能夠讓地球停止。

  一旦地球停止自轉,首先每一個白天和黑夜將持續半年,甚至是因為被太陽引力鎖定,一面永遠是白天,一面永遠是黑夜。其次,由于慣性作用,大氣層繼續運動,會產生強烈颶風,另外,引力導致海水上漲,帶來巨大潮汐。

  知識點四:如何在地下城生活?需要克服哪些困難?

點擊查看高清大圖

  在流浪的旅途中,人們都生活在位于地下5公里處的地下城中,地下城需要考慮生存居住的必須條件。

  首先是地下城的溫度問題,地殼向下每公里地溫增加25-30℃,所以地下5公里,地溫大概是125-150℃。估計修建地下城最需要的,是制冷設備吧。

  第二是通風問題,高質量的空氣是室內人員健康的保證。對于室內長期低濃度的污染,人的肌體沒有抵御手段,被動的吸入眾多污染物而損害健康,通過技術平衡空氣中氧氣、二氧化碳、懸浮顆粒等成分。

  第三,由于水資源有限必須設計好水循環系統。給水、排水系統組成一個閉路循環的用水系統,將產生的廢水,經適當處理后重復使用,不補充或少量補充新鮮水,而不排放或少排放廢水的用水方式。第四,人造光源為農作物提供光合作用的必須條件。光荷載作用是指綠色植物利用太陽的光能,同化二氧化碳和水制造有機物質并釋放氧氣的過程。光合作用所產生的有機物主要是碳水化合物,并釋放出能量。

  最后,電影中的美食蚯蚓干,并非難以接受,蚯蚓其實是一種營養非常豐富的食物。蚯蚓干中含有54.6–59.4%的蛋白質,富含所有的必需氨基酸,屬于優質蛋白,它的氨基酸組成甚至優于牛奶、豆漿和一些魚類。

  一旦居住在地下,地球停止自轉逃離太陽,那么我們熟悉的四季更替將不再存在。四季的形成是因為地球的自轉軸與地球繞太陽公轉面之間有一個夾角(23°26′),當地球繞太陽公轉時,太陽直射到地球的位置在南回歸線到北回歸線之間。太陽直射時,地球表面獲得的熱量高,氣溫高,為夏季;反之,太陽斜射時,地球表面獲得的熱量低,為冬季。當地球停止自轉并且脫離太陽系,想要看到四季景色只能通過模擬屏幕來實現了。

  地下城并不是萬無一失,還有一些危險需要我們保持警惕。首先是巖漿,巖漿產生于上地幔和地殼深處,高溫粘稠的主要成分為硅酸鹽的熔融物質。據測定,巖漿的溫度一般在900-1200℃之間,最高可達1400℃。

  同時需要擔心地震。大陸地區地下5公里的地方,絕大部分都是堅硬的巖石。在這兒修建地下城,因為是嵌固在四周的地殼巖石中的,所以在地震發生時收到的地震傾覆力矩相對地面的建筑物要小的多,從建筑的結構抗震來講相對容易滿足要求。同時考慮是否有活動斷層穿過,活動斷層不僅與地震的發生關系密切,而且斷裂的活動對于這些地下結構及建筑物的安全會產生致命地破壞。

  知識點五:光速究竟有多快?

點擊查看高清大圖

  光速究竟有多快?先來看一下,我們以身邊的交通工具的通常速度:汽車速度平均60公里每小時,火車速度300公里每小時,飛機速度900公里每小時,火箭速度4.2公里每秒,宇宙飛船速度70公里每秒,光速則達到了300000公里每秒,相當于我們高鐵速度的3600000倍。

  當飛行速度達到7.9公里每秒,即達到第一宇宙速度,這時可以環繞地球飛行,成為地球衛星。當速度達到11.2公里每秒,即達到第二宇宙速度,這時可以脫離地球,成為環繞太陽運動的“人造行星”。當速度達到16.7公里每秒,即達到第三宇宙速度,可以飛出太陽系。當速度達到110到120公里每秒,即第四宇宙速度,可以飛出銀河系。而第五宇宙速度是航天器從地球發射,飛出本星系群的最小速度。由于本星系群的半徑、質量均未有足夠精確的數據,所以無法估計數據大小。

  地球距離目的地半人馬座比鄰星4.22光年。光年是長度單位,并不是速度單位,是光在宇宙真空中沿直線傳播了一年時間的距離,一般被用于衡量天體間的時空距離。常見的客機時速大約是每小時885千米,這樣飛1光年則需要1220330年。地球到太陽距離0.0000158光年;地球到天狼星距離8.6光年;地球到銀河系中心:2.6萬光年,銀河系半徑約為7000光年。按引力影響算,太陽系的半徑可達2光年,按冥王星的軌道為邊界,半徑是59億千米,直徑是118千米(約0.00025光年)。

  人類最快的飛行器-旅行者1號,速度大約為17千米/秒,6小時即可抵達月球,37天抵達火星,101天抵達太陽,17億6千4百萬年橫穿銀河系。以人類目前科技水平尚不足以進行光速飛行。存在兩大限制。

  第一,根據狹義相對論的質量公式,運動物體的質量會比它靜止時更大。越接近光速,質量越接近無限大。

  第二,當給一個物體加速時,所施加的能量有一部分會轉化成物體的質量,更大的質量會進一步阻礙加速。最終無限接近光速就需要無限大的能量。未來我們有可能通過曲率飛行達到光速飛行,利用彎曲空間的彈性推動飛船高速前行,只要調節空間拉伸與彎曲程度即可幾乎無限制地增加速度。

  知識點六:為什么要去比鄰星定居?

點擊查看高清大圖

  要了解離太陽系最近的恒星——比鄰星,首先要了解太陽系所處的銀河系。在可觀測的宇宙中,星系的總數可能超過1千億,最古老的距今135.5億年,最大的星系距地球大約10.7億光年,直徑560萬光年,相當于銀河系直徑50多倍。

  銀河系中包括1200億顆恒星和大量的星團、星云,還有星際氣體和塵埃,太陽系就位于銀河系中。銀河系直徑約有10萬光年,總質量約為太陽質量的1400億倍。銀河系是中間厚、邊緣薄,呈扁平狀,通常我們看到的銀河其實只是銀河系的一部分,位于天鷹座和天赤道相交處。

  在北半天球,它經過天鵝等星座,跨入天赤道,再往南經過南十字、天蝎、人馬等星座。銀河系是巨大的棒旋星系,其內的恒星、氣體和塵埃等分布成漩渦狀,這種旋渦被稱為旋臂,太陽系位于獵戶臂內,人馬臂和英仙臂之間。

  在前面介紹的“知識點一”中,我們介紹了太陽系的八大行星,在八大行星之外,太陽系還存在著很多其他的星體。流浪地球要想從太陽系飛行到比鄰星,還必須通過太陽系邊緣的柯伊伯帶和奧爾特星云。

  柯伊伯帶是一個由像彗星一樣的天體組成的環,這些天體由巖石、冰河塵埃組成,位于太陽系的盡頭。奧爾特星云是大約50億年前形成的星云,包圍著太陽系,布滿了不活躍的彗星,距太陽約50000至100000個天文單位,差不多等于一光年,即太陽與比鄰星距離約四分之一。

  比鄰星所在的半人馬座共有三顆恒星,除了比鄰星還有南門二A星和南門二B星,它們都要比比鄰星大的多。南門二A星與南門二B星都是黃矮星,之間距離23個天文單位,比鄰星則是一顆距離較遠紅矮星,南門二B星距離比鄰星12000個天文單位,相當于0.2光年,這三顆恒星構成了半人馬座的“三體”系統。

  雖然比鄰星是距離太陽系最近的恒星,但太陽系距離比鄰星也有4.22光年,距離南門二A星則有4.24光年。如此遙遠的距離,從太陽系飛行到比鄰星,如果用目前人類最快空間飛行速度26.4萬千米/小時的飛行,總飛行時間要1.7萬年,而如果能采用《流浪地球》電影中設定的地球行進的速度最快時可達光速的千分之五計算,總飛行時間也要2500年。

  最后,我們比較一下太陽和比鄰星,太陽處于主序星階段,視星等為26.74 等(視星等是用肉眼看到的星體亮度,它的數值越小亮度越高,反之越暗),直徑有140萬公里,質量2*10^30千克,年齡46億歲,溫度表面約5700℃;比鄰星是一個紅矮星,視星等為11等,比太陽要暗很多,直徑約為太陽的1/7,質量約為太陽的1/8,年齡48.5億歲,表面溫度約為2800℃。此外,天文學家已經發現比鄰星擁有一個圍繞其旋轉的行星,比鄰星是否適合作為新的太陽,還需要回答很多的問題。

  知識點七:地球流浪計劃是否可行?

點擊查看高清大圖

  電影中流浪地球計劃分為五個階段,剎車階段,逃逸階段,先流浪階段,后流浪階段,新太陽時代,每階段都會面臨各種嚴峻的挑戰。

  階段1剎車階段中,行星發動機使地球停止自轉。

  階段2逃逸階段,全功率開動行星發動機,加速駛出太陽系。為什么選擇帶著地球逃逸?由于距離太陽系最近的比鄰星沒有行星,而且最近的有行星的恒星系在850光年外,同時現有技術下人類不具備建造大型、穩定的生態系統技術,所以只能帶著地球一起逃逸,尋找新的家園。

  階段3先流浪階段,利用太陽和木星完成加速,駛向比鄰星。因為質量越大的天體動能交換越多,木星的質量約為地球的318倍,是太陽系中質量最大的行星,而且是適合地球進行引力助推的行星中,距離地球最近的行星,所以選擇木星進行加速。利用行星的引力,來改變飛行軌道和速度,即引力彈弓效應。木星公轉速度大約13千米/秒,當地球通過木星后,拋開地球發動機帶給地球的額外速度疊加,地球獲得的速度將至少達到55.8千米/秒,足以完成逃離太陽系。

  在靠近木星的過程中,地球被木星捕獲,發生木星墜落,地球差點解體,這是是因為當兩個天體的質量和強度存在差異并且距離足夠近時,質量較小強度較弱的天體就會被另一個更大天體的潮汐力拉扯解體,該極限距離就是洛希極限。而地木的剛體洛希極限約為6.27萬公里。電影中,地球大氣與木星大氣相距7萬公里,所以實際情況下木星的引力并不會把地球撕碎。

  電影中通過點燃了木星逃離了木星的控制,而實際上木星是一顆氣態行星,大氣中氫含量高達90%,抽取了大量地球氧氣后和木星的大氣中的大量氫氣混合,具備燃燒3個必要條件:爆炸所需的氫氣的濃度在4%-70%,但過低的氧氣含量仍然無法點燃火星。

  階段4后流浪階段,利用500年時間將地球加速到光速的千分之五,然后滑行1300年;然后調轉發動機,利用700年進行減速。

  階段5新太陽時代,地球泊入比鄰星軌道,成為比鄰星的衛星。

  整個逃逸的過程中,我們發現地球的好伙伴月亮并沒有跟我們一起走,這是因為地月引力讓地球無法以一個相對靜止的狀態向前前進,逃離過程中如果月球還跟隨地球,那么月球就必須保持同速,否則推進器的工作量就要再加上整個月球,兩者的速度如果有差異,就會出現月球和地球相撞的可能。

  知識點八:人類真實的空間站

點擊查看高清大圖

  《流浪地球》電影中“領航員號”空間站被設計成圓形,這種形狀是具有一定科學依據的。第一,圓盤狀空間站不斷旋轉,可以模擬地球重力和方向感。第二,在向外離心力作用下,可以將空間站的外圍當作地面,在空間站內行走站立。

  而現在我們真實的空間站并不是一個圓形結構,而是像積木一樣搭建起來的倉儲式設計??臻g站以美國、俄羅斯為首,共16個國家參與研制,集積木式和桁架掛艙式構型于一體。每個航天員每年需由地面送去658千克食品、209千克服裝。

  國際空間站上的宇航員主要專注于以下幾大類研究。第一,對天觀測研究,主要研究宇宙射線,亞原子粒子等重要信息,對影響地球環境的天文事件(如太陽耀斑、暗條爆發等)做出快速反應。第二,對地觀測研究,利用可見光、紅外、高光譜和微波等探測手段,對人類生存所依賴的地球環境及人類活動本身進行的各種探測活動。第三,材料科學研究,這是一門研究在高真空、超潔凈、微重力空間環境條件下,材料加工過程的物理規律、材料加工生產及工藝的科學。第四,重力生物學,通過多種參數來判斷重力對航天員身體的影響,可提高對人的大腦、神經和骨骼及肌肉等方面的研究水平。

  目前太空中運行的探測器,我們可以分為三大類。第一類是飛經某一行星的探測器。比如,旅行者一號迄今為止人類飛得最遠的飛行器,現處在距離太陽211億公里以外的地方,以每秒17公里的速度逃離太陽系,曾到訪過木星及土星,是提供衛星高解像清晰照片的第一艘航天器。第二類是環繞行星運行的探測器,如太陽神1、2號,它們部署在太陽橢圓軌道上,用以研究太陽活動。太陽神2號飛抵太陽近300萬千米,創造了0.29天文單位(或4343.2萬千米)的距離記錄。第三類是在行星上著陸的探測器。海盜1號和2號1975年在火星表面軟著陸成功,40分鐘后就將第一張火星彩照發回地球。它們分別在火星上工作了六年和三年,對火星進行了考察和拍照,共發回五萬多幅火星照片,分辨率高達200米。

  知識點九:空間站如何與地球進行通信?

點擊查看高清大圖

  在這一部分,我們以宇宙空間飛行器與地球的通信為背景,重點介紹無線電通信以及空間站與地球間的通信。

  首先我們先來了解一下常見的電通信方式,根據信號傳輸方式的不同,可以分為有線電通信和無線電通信。有線電通信是利用導線傳輸信息的方式,分為明線通信、電纜通信和波導通信,保密性好、穩定,不易受干擾;無線電通信則是利用無線電波傳輸信息的通信方式,機動性好,但不穩定易受干擾,易被截獲。衛星通信則利用人造地球衛星作為中繼站來轉發無線電波而進行的兩個或多個地球站之間的通信。具有覆蓋范圍廣、通信容量大、傳輸質量好、組網方便迅速等優點,是建立全球個人通信必不可少的手段。

  衛星通信系統是由通信衛星和經該衛星連通的地球站兩部分組成。同步通信衛星是目前全球衛星通信系統中最常用的星體,是將通信衛星發射到赤道上空 35860 公里的高度上,使衛星運轉方向與地球自轉方向一致,并始終和地球保持同步運行狀態。同步衛星天線波束最大覆蓋面可以達到大于地球表面總面積的三分之一。

  因此,在靜止軌道上,只要等間隔地放置三顆通信衛星,其天線波束就能基本上覆蓋整個地球(除兩極地區外),實現全球范圍的通信。無線電通信中所使用的無線電波是電磁波家族中的一員,無線電波的波長越短、頻率越高。無線電波在真空中的速度等于光在真空中的速度,因為無線電波和光均屬于電磁波,無線電波在空氣中的速度略小于光速。聯合國教科文衛組織把每年2月13日定為“世界無線電日”。

  基于上述的知識,我們討論一下“領航員號”空間站與流浪中的地球通信的可能方式。在《流浪地球》電影中“領航員號”空間站是負責導航、預警和通信保障的。它的部分功能相當于通訊衛星。根據電影中的設定,空間站在正對地球南極10萬公里遠的前方領航。下面列出了幾種通信方式。

  方式1:直接通訊,空間站與人類居住的北半球直接通過無線電波通信。但無線電波無法從南半球穿過整個地球到達北半球。故無法實現。

  方式2:衛星通訊,空間站與人類居住的北半球通過中繼衛星轉發實現通信。但由于地球處于流浪之中,目前的衛星已無法實現與地球同步,故無法實現。

  方式3:超級基站,空間站與南極附近的地面超級基站實現通信,在通過地面基站的轉發到達北半球,具有可行性,實現地面中繼轉發的基站要具有極強的組網通信功能。目前,正在研制的超級基站比傳統基站服務能力提升1千倍、資源使用效率提升1千倍。

  傳統蜂窩接入主要覆蓋“人”,而超級基站可以支持千億物端的廣覆蓋、高移動的隨遇接入,設備接入能力提高1百倍,覆蓋范圍從20%的地面,擴展到100%的空天地海,甚至向外太空及星際互聯延伸。所以超級基站將有可能被應用于未來的空天地通信領域。

  知識點十:如何進行星際通信?

點擊查看高清大圖

  宇航通信是指以宇宙飛行器或天體為對象的無線電通信。包括宇宙飛行器之間的通信、地球站與宇宙飛行器之間的通信,以及地面上地球站之間通過宇宙飛行器轉發或反射進行的通信。

  比如我們的行星探測器“好奇號”正在火星上工作,火星距離地球5500萬公里到4億公里,“好奇號”探測器信號傳輸單向傳輸用時14分鐘意味著目前的距離是1.54億英里。

  “好奇號”的主板上有三個無線電系統。其中兩個處于7-8GHz的X波段,以60bps至12kbps低數據率將信號傳輸回地球,主要負責接受指令。第三個是數據調制解調器,運行頻率接近400MHz,和繞火星的衛星進行通信。用于將數據轉發到地球,它的數據率更高(約為128kbps)。最近升級“漫游者”也只能實現每秒僅大約256千比特的數據傳輸速率。

  同時為了接受通訊信息,我們搭建了深空網(DSN),一個覆蓋全球的巨型測控站網絡,用以接受通訊信息,開展行星際探測。深空網包括設在美國加州,西班牙馬德里和澳大利亞堪培拉的3座經度間隔120度的大型測控站,保證隨著地球的轉動,仍然能夠對目標保持不間斷的監控。

  我們想要聯系上空間站必須滿足三個條件。條件1,空間站在同一個地區天空中停留10分鐘左右,只有在這段時間可以聯系上。條件2,空間站無線電傳輸信號頻率為145.80MHz,這是同空間站通訊的波段。條件3,2米左右天線保證信號能夠完成發送接收。

  在太空研究中,太空艙內有氣體,宇航員可以面對面說話交流。而聲音的傳播需要介質,在真空中不能傳播,所以在太空艙外要靠無線電來對話交談。

  在太空中漫游的探測器想要同地球聯系上就沒那么容易了。旅行者1號距離地球超過210億公里,安裝了永遠朝向地球的22.4瓦高增益發射器,選擇干擾較小的8GHz的無線電頻率。每一次通訊,無線電信號都要經過17個小時才能傳回地球,只能以每秒160比特的速度緩慢地傳回數據,傳一張照片可能都要幾十分鐘。當信號到達地球時僅有十億億分之一瓦,口徑70米的射電望遠鏡才能收集到足夠強的信號。由于旅行者攜帶的兩枚核電池電量也不是很多了,而且最多將支撐到2025年就會徹底關閉并失去聯系。

  我們把范圍再次放大,想要實現星際間的通訊,比如從距離太陽最近的恒星(比鄰星,約4.22光年)向地球發送功率一瓦的信號,需要一座口徑超過50公里的射電望遠鏡才能接收到。

  上面通過10個知識點,嘗試著回答了朋友們最關注的一些問題,希望能對大家有所幫助。在本文講解圖繪制的過程中,得到了很多專家和朋友們的大力支持,在此表示由衷的感謝。

  接下來我會和我的科學助手一起挑選10個經典科幻電影,選擇覆蓋宇宙空間、物理、量子、生物信息、人工智能、芯片、機器人等多個方面的100個知識點,通過手繪的形式,向青少年介紹科學知識,對影片和知識點的選擇也會進一步征集網友朋友們和孩子們的意見。

  我始終認為“做科普的回報,就是讓更多地人知道”,堅持畫下去需要廣大朋友的大力支持和持續關注,力爭做成孩子們需要并喜歡的科普讀物,真心希望能通過我們的努力,可以在孩子們心中種下一顆科學的種子,有朝一日可以發芽。

  推薦

  《科學大家》欄目精彩文章匯總

  《科學大家》專欄投稿郵箱:sciencetougao@sina.com  來稿請注明姓名、單位、職務

 

新浪科技公眾號
新浪科技公眾號

“掌”握科技鮮聞 (微信搜索techsina或掃描左側二維碼關注)

創事記

科學探索

科學大家

蘋果匯

眾測

專題

官方微博

新浪科技 新浪數碼 新浪手機 科學探索 蘋果匯 新浪眾測

公眾號

新浪科技

新浪科技為你帶來最新鮮的科技資訊

蘋果匯

蘋果匯為你帶來最新鮮的蘋果產品新聞

新浪眾測

新酷產品第一時間免費試玩

新浪探索

提供最新的科學家新聞,精彩的震撼圖片