在小說(shuō)《三體》中，葉文潔利用太陽(yáng)作為無(wú)線電放大器，向三體星人發(fā)去了關(guān)于地球的通信信號(hào)。在現(xiàn)實(shí)中，雖然科學(xué)家們還沒有發(fā)現(xiàn)太陽(yáng)具備“太空大喇叭”的功能，但太陽(yáng)本身的確有發(fā)射無(wú)線電波的能力，還會(huì)偶爾給探索太空的人們制造一點(diǎn)小麻煩。

最近，據(jù)新聞報(bào)道，我國(guó)火星探測(cè)器“天問一號(hào)”總設(shè)計(jì)師孫澤洲日前在一場(chǎng)活動(dòng)中透露，由于日凌現(xiàn)象的出現(xiàn)，天問一號(hào)火星探測(cè)器可能在9月前后與地面失聯(lián)一段時(shí)間。

這是一次預(yù)計(jì)中的失聯(lián)，應(yīng)對(duì)方案也早已準(zhǔn)備好

可能很多人看到“失聯(lián)”二字，會(huì)非常擔(dān)心“天問一號(hào)”的安全，請(qǐng)大家放心，這類失聯(lián)是正常的，它指的是我們將在一段時(shí)間內(nèi)無(wú)法和“天問一號(hào)”取得實(shí)時(shí)的聯(lián)系，但是，大家不必太過(guò)擔(dān)心。

為什么呢？

第一，造成失聯(lián)的原因并非什么系統(tǒng)出現(xiàn)了故障，而是一種叫做“日凌”的自然現(xiàn)象阻礙了通信的正常進(jìn)行。早在天問一號(hào)出發(fā)前，科學(xué)家們就預(yù)計(jì)到了這點(diǎn)，“天問一號(hào)”自帶的程序?qū)椭_展這段時(shí)間的工作。第二，實(shí)際上，自“天問一號(hào)”到達(dá)火星開始，地面指揮能對(duì)它做的就十分有限，主要是依靠它自帶的程序工作。第三，在日凌影響結(jié)束后，我們將重新與“天問一號(hào)”建立聯(lián)系。

日凌是什么？其實(shí)你家電視信號(hào)就被它影響過(guò)

如果地面上用來(lái)收發(fā)衛(wèi)星信號(hào)的天線對(duì)準(zhǔn)衛(wèi)星時(shí)，恰好也同時(shí)對(duì)準(zhǔn)了太陽(yáng)，那么衛(wèi)星的通信信號(hào)就會(huì)遭受太陽(yáng)的嚴(yán)重干擾，地面與衛(wèi)星間的通信質(zhì)量就會(huì)出現(xiàn)下降，有時(shí)甚至完全中斷。

這種現(xiàn)象，被稱為“日凌”。

日凌現(xiàn)象原理示意圖（圖片來(lái)源：https://satoms.com/vsat-sun-outages/）

對(duì)于日凌，關(guān)心電視節(jié)目收看質(zhì)量的朋友不會(huì)感到陌生。每年我國(guó)有關(guān)部門都會(huì)提前發(fā)布轉(zhuǎn)發(fā)電視信號(hào)的通信衛(wèi)星受日凌現(xiàn)象影響的時(shí)間。在日凌現(xiàn)象集中出現(xiàn)的時(shí)段內(nèi)，每天可能都會(huì)有那么幾分鐘，你收到的電視信號(hào)沒有那么清晰，甚至可能出現(xiàn)雪花等干擾圖樣。此時(shí)，正是太陽(yáng)在干擾你的電視信號(hào)。

國(guó)家廣電總局會(huì)提前發(fā)布日凌出現(xiàn)的時(shí)間表（圖片來(lái)源：國(guó)家廣電總局官網(wǎng)截圖）

在夜間開車的過(guò)程中，如果對(duì)向的汽車沒有文明駕駛，在會(huì)車時(shí)依舊開著遠(yuǎn)光燈，我們就有可能因?yàn)閷?duì)向車強(qiáng)烈的光線而無(wú)法分辨其他本來(lái)能看清的物體。

人眼能夠感知的光線，本質(zhì)上和我們傳輸信息使用的無(wú)線電一樣，都是電磁波。而太陽(yáng)，恰恰是一個(gè)產(chǎn)生電磁波的全能型選手：從波長(zhǎng)最短的γ射線、X射線波段，到波長(zhǎng)較長(zhǎng)的無(wú)線電波段，都能探測(cè)到太陽(yáng)發(fā)射的信號(hào)。

目前，傳輸電視信號(hào)使用的一般是靜止軌道的通信衛(wèi)星。衛(wèi)星工作在赤道上空，距離地面約三萬(wàn)六千公里。每年春分和秋分前后，太陽(yáng)直射地球赤道。從地面上看，這段時(shí)間里太陽(yáng)每天東升西落的過(guò)程中，會(huì)劃過(guò)衛(wèi)星所在的位置附近，指向衛(wèi)星的天線也指向了太陽(yáng)。此時(shí)，天線接收到的就不只有來(lái)自衛(wèi)星的信號(hào)，還有來(lái)自太陽(yáng)的強(qiáng)烈的無(wú)線電信號(hào)。

每到這個(gè)時(shí)候，太陽(yáng)發(fā)射的強(qiáng)烈無(wú)線電信號(hào)就像是一個(gè)刺眼的“遠(yuǎn)光燈”，干擾甚至完全淹沒了衛(wèi)星通信的無(wú)線電信號(hào)，電視信號(hào)的傳輸就會(huì)受到嚴(yán)重影響。

好在，這樣的干擾一般不會(huì)持續(xù)太久，由于太陽(yáng)在天空中持續(xù)運(yùn)動(dòng)，幾分鐘后便會(huì)離開衛(wèi)星所在的位置，衛(wèi)星通信傳輸也會(huì)恢復(fù)正常。

除了電視信號(hào)外，其他依賴靜止軌道通信衛(wèi)星服務(wù)的業(yè)務(wù)也會(huì)受到影響。例如，上海證券交易所在日凌現(xiàn)象發(fā)生前會(huì)發(fā)布公告，提醒相關(guān)用戶注意衛(wèi)星干擾。而印度的證券交易所則干脆在日凌現(xiàn)象發(fā)生期間停止股票交易。

在航天任務(wù)中，日凌都制造過(guò)哪些“小麻煩”？

日凌現(xiàn)象甚至還影響過(guò)載人航天任務(wù)的實(shí)施。據(jù)公開文獻(xiàn)報(bào)道，我國(guó)某次載人飛行任務(wù)恰逢春分前后，由于日凌現(xiàn)象的影響，一些部署在大洋上的測(cè)控船和海外的測(cè)控站的衛(wèi)星通信出現(xiàn)中斷，無(wú)法將收發(fā)的飛船信號(hào)傳輸給控制中樞。

目前，空間站和飛船的地面通信還依賴靜止軌道上的中繼衛(wèi)星通信系統(tǒng)“天路”，也有受到日凌現(xiàn)象影響的可能。而在探月工程實(shí)施的過(guò)程中，一旦太陽(yáng)恰好出現(xiàn)在地球和月球的連線上，月球探測(cè)器與地球的通信傳輸也會(huì)因?yàn)樘?yáng)的干擾而中斷。

對(duì)于火星探測(cè)來(lái)說(shuō)，情況則更為復(fù)雜。

由于火星和地球繞太陽(yáng)公轉(zhuǎn)的軌道不同，會(huì)出現(xiàn)異側(cè)日凌和同側(cè)日凌兩種情況。

異側(cè)日凌和同側(cè)日凌示意圖（圖片來(lái)源：作者自制）

當(dāng)出現(xiàn)異側(cè)日凌時(shí)，火星和地球處在太陽(yáng)的兩邊，除了太陽(yáng)本身發(fā)射的無(wú)線電信號(hào)會(huì)干擾到地球和火星的雙向通信外，太陽(yáng)日冕中等離子體同樣會(huì)對(duì)信號(hào)的傳輸產(chǎn)生不良影響。只要地球和火星之間的通信鏈路經(jīng)過(guò)太陽(yáng)附近，這種影響就會(huì)出現(xiàn)。本次天問一號(hào)失聯(lián)，就是由于異側(cè)日凌的發(fā)生。

如果日冕中出現(xiàn)爆發(fā)現(xiàn)象，干擾的范圍和程度還會(huì)有所增加。

同時(shí)，從地面向天空中看，日凌期間火星和太陽(yáng)相伴著東升西落，火星和太陽(yáng)的相對(duì)位置在一段時(shí)間內(nèi)不會(huì)有很大的變化，因此日凌現(xiàn)象對(duì)火星通信的影響的持續(xù)時(shí)間較長(zhǎng)，這與電視信號(hào)在春秋分前后每天可能被干擾幾分鐘的情形非常不同。

而對(duì)于同側(cè)日凌來(lái)說(shuō)，由于地球的公轉(zhuǎn)軌道比火星的公轉(zhuǎn)軌道更靠近太陽(yáng)，同側(cè)日凌僅會(huì)影響地球到火星的單向通信。而且，此時(shí)也不存在日冕對(duì)信號(hào)傳輸?shù)牟涣加绊?，因此同?cè)日凌對(duì)地球與火星間通信的影響程度和范圍都相對(duì)有限。

“天問一號(hào)”的好消息：目前太陽(yáng)并不算活躍

前文我們說(shuō)過(guò)，大家不必太擔(dān)心這次“天問一號(hào)”的失聯(lián)，還有一個(gè)原因就是，太陽(yáng)目前并不算活躍，對(duì)火星通信的干擾程度相對(duì)于活躍的年份要低不少。

太陽(yáng)活動(dòng)存在變化的周期，太陽(yáng)從沉寂的狀態(tài)到達(dá)活躍的狀態(tài)，再重歸沉寂，經(jīng)歷上升、極大、下降、極小四個(gè)階段，總共需要約十一年的時(shí)間。在太陽(yáng)活動(dòng)較強(qiáng)的年份，雖然我們可以明顯感知的可見光波段輻射量變化并不大，太陽(yáng)整體上向外發(fā)射的能量也僅僅比低年高0.1%左右，但在無(wú)線電波段，變化則相當(dāng)明顯。由于太陽(yáng)活動(dòng)高年太陽(yáng)發(fā)射的無(wú)線電信號(hào)強(qiáng)度要明顯高于太陽(yáng)活動(dòng)低年，因此，如果日凌現(xiàn)象出現(xiàn)在太陽(yáng)活動(dòng)高年，其對(duì)衛(wèi)星通信的影響要強(qiáng)于太陽(yáng)活動(dòng)低年。對(duì)于火星通信來(lái)說(shuō)，太陽(yáng)活動(dòng)高年的影響還不只限于太陽(yáng)本身發(fā)射了更強(qiáng)的無(wú)線電信號(hào)。在太陽(yáng)活動(dòng)高年，日冕中爆發(fā)現(xiàn)象的發(fā)生會(huì)更加頻繁，因此日冕對(duì)通信信號(hào)傳輸?shù)挠绊懸矔?huì)更為明顯持久。目前，太陽(yáng)正處在第25活動(dòng)周剛剛開始的時(shí)期，太陽(yáng)活動(dòng)還不十分強(qiáng)烈，這對(duì)“天問一號(hào)”來(lái)說(shuō)應(yīng)該是個(gè)好消息。

給航天制造麻煩的日凌，卻備受太陽(yáng)物理學(xué)家的喜愛

有時(shí)候我們會(huì)半開玩笑地說(shuō)，“只要太陽(yáng)出現(xiàn)在視界之內(nèi)，就沒好事！”

其實(shí)，這說(shuō)法有些片面。正所謂“汝之砒霜，彼之蜜糖”，對(duì)于衛(wèi)星通信和航天測(cè)控來(lái)說(shuō)，太陽(yáng)發(fā)射的無(wú)線電信號(hào)是種煩惱，而對(duì)于太陽(yáng)物理學(xué)家來(lái)說(shuō)，無(wú)線電信號(hào)反倒為他們打開了一扇認(rèn)識(shí)太陽(yáng)的新窗口。

在天文學(xué)中，天體發(fā)射的無(wú)線電信號(hào)一般被稱為“射電信號(hào)”，而對(duì)射電天文的研究最早也是從太陽(yáng)發(fā)射的無(wú)線電信號(hào)開始的——由于太陽(yáng)發(fā)射的信號(hào)很強(qiáng)，口徑有限的射電天線就能夠進(jìn)行有效的太陽(yáng)射電觀測(cè)。

上世紀(jì)三四十年代，有科學(xué)家利用拋物面天線對(duì)準(zhǔn)太陽(yáng)，觀測(cè)到了特定波段較強(qiáng)的太陽(yáng)射電信號(hào)。而對(duì)軍用雷達(dá)干擾源的分析，也使天文學(xué)家們發(fā)現(xiàn)了太陽(yáng)爆發(fā)與太陽(yáng)射電增強(qiáng)之間的聯(lián)系。

時(shí)至今日，太陽(yáng)物理學(xué)家們已經(jīng)將太陽(yáng)射電信號(hào)突然增強(qiáng)的現(xiàn)象定義為幾個(gè)類型的太陽(yáng)射電爆，每種類型的射電爆產(chǎn)生于不同的物理過(guò)程，反映了不同的信息，可以使科學(xué)家們更深入的認(rèn)識(shí)太陽(yáng)活動(dòng)的規(guī)律，為預(yù)報(bào)太陽(yáng)爆發(fā)、保護(hù)航天活動(dòng)免受太陽(yáng)爆發(fā)帶來(lái)的惡劣空間天氣侵襲提供理論依據(jù)。

對(duì)于日凌現(xiàn)象對(duì)火星探測(cè)的影響，科學(xué)家和工程師們也在積極尋找解決方案。一方面，他們?yōu)樘綔y(cè)器配備了充足的自我管理能力，使得它在無(wú)法與家里打通電話的情況下也能照顧好自己。此外，他們也在探索使用受日凌干擾程度較低的無(wú)線電頻段來(lái)承載地火之間的通信信號(hào)，盡量降低與火星探測(cè)器失聯(lián)的時(shí)間。讓我們一起等待與“天問一號(hào)”恢復(fù)通信的時(shí)刻吧！

參考文獻(xiàn)：

[1]李紅艷,薛國(guó)虎,周江.日凌和星蝕現(xiàn)象預(yù)報(bào)方法及對(duì)試驗(yàn)任務(wù)的影響分析[J].裝備指揮技術(shù)學(xué)院學(xué)報(bào),2005(01):88-92.

[2] D. Morabito and R. Hastrup. Communications with Mars During Periods of Solar Conjunction: Initial Study Results. IPN Progress Report 42-147

作者：李會(huì)超

單位：哈爾濱工業(yè)大學(xué)（深圳）

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