太空中的靜電放電

圖1 科技館中的放電實驗

參觀過科技館的朋友們，一定會對高壓放電實驗印象深刻：在巨大的鐵籠里樹立著一個一人多高的金屬圓柱，它的頂端不斷向周圍的地面、金屬物體放出明亮的電弧，同時發出「啪啪」聲。這個金屬圓柱就是特斯拉線圈，它由科學家尼古拉·特斯拉在1891年發明，主要用來生產超高電壓但低電流、高頻率的交流電力。特斯拉線圈由兩組耦合的共振電路組成，通過電路諧振使放電終端（即金屬圓柱頂端）獲得超高頻率的高電壓，電壓一般可以達到幾十至幾百萬伏特。充電開始後隨著放電終端的電壓逐漸增大，附近的空氣被電離，電離空氣一旦與周圍物體或地面形成了通路，就會出現明亮的電弧放電，同時被高壓擊穿的空氣發生震蕩並發出巨大響聲。實際上，這樣的放電現象在日常生活中並不少見。閃電就是一種大氣放電現象，其電壓高達數百萬伏特，能夠釋放巨大的能量。特斯拉線圈的原理與閃電類似，因此人們又稱它為「人工閃電製造器」。

根據間隙擊穿電壓的帕邢定律，對於1cm厚度、氣壓為1大氣壓（約0.1兆帕）的空氣介質，在均勻電場的情況下3萬伏特左右的電壓才可以造成擊穿放電。其他因素也會對擊穿電壓產生影響。一般而言，空氣中的靜電放電都發生在上萬伏特高電壓的條件下。但在充斥著等離子體的太空中，等離子體的高電導率特性大大降低了放電閾值，航天器表面幾百伏特的電位差就可能引起不同電位表面之間的靜電放電。這種靜電放電最容易發生在航天器表面的尖角、尖邊緣位置以及相鄰太陽能電池單元的間隙之間，能夠造成航天器部件損壞，並在電子部件中產生嚴重的干擾脈衝，甚至威脅航天器在軌安全。1982年9月，美國高空充電實驗衛星（SCATHA）在表面電位低於-400V時監測到了多個靜電放電信號，其中一次放電造成SC2儀器電子狀態偏離預先設定的時序狀態。在隨後的人工表面充電實驗中，靜電放電造成SC2儀器徹底失效。

圖2上圖：EOS-AM1太陽能電池板放電瞬間產生的電弧（視頻截圖）；下圖：太陽能電池板損壞

圖3在軌衛星表面發生負電荷累積

航天器在軌運行期間，不同表面之間電位差是怎樣形成的？這就要講到等離子體環境的表面充電效應。航天器表面材料暴露在空間等離子體中，一般情況下環境中的電子、離子具有相同的能量，可以用如下公式表示:

由於電子質量遠大於離子質量，可以推導出電子熱速度大於質子熱速度，這就造成單位時間內入射衛星表面的電子多於質子，能量範圍在幾keV至100 keV的電子會在表面發生負電荷累積。另一方面，太陽光照在衛星表面激發出的光電子，能夠減少表面負電荷。當進出衛星表面的多種電流達到動態平衡時，衛星表面電位穩定。在材料不同的表面之間，或者環境條件不同的表面之間（例如光照面與非光照面），就會產生電位的差別。

圖4 流入流出衛星表面的電流如同流入流出容器的水，達到動態平衡

圖5受到光照的表面與無光照的表面之間產生了電位差引起表面高充電的空間環境

一般情況下，軌道上航天器表面的電位差達不到靜電放電的電壓閾值，不會發生放電。但在地磁暴期間，空間環境發生劇烈變化，航天器可能遭遇高密度、高溫度的等離子體進而充電到很高的負電位，引發表面靜電放電。下面介紹了地球同步軌道和低地球軌道區域的空間環境以及環境造成的表面充電效應。

地球同步軌道（GEO）高度約為 3.6萬千米，大多數通訊、導航衛星位於此區域。這裡的等離子體環境受地磁活動水平影響。在地磁平靜時期，電子溫度低，不會發生高電位充電。磁暴時期高通量、高溫度的電子（幾十至幾百keV）由外向內從午夜區域注入到地球同步軌道，同時沿緯圈向黎明前方向漂移。因此磁暴期間在同步軌道的午夜至黎明段內（如圖6），衛星發生充電、放電事件的概率很高。衛星表面相對周圍等離子體的負電位最高可達幾千甚至上萬伏特。

圖6 充電引起GEO航天器發生異常的位置分布，主要集中在午夜至黎明區間段內

圖7左圖：某時刻的極光可見範圍預報圖；右圖：LEO衛星DMSP發生表面充電事件的位置隨磁緯度和地方時的分布

低地球軌道（LEO）指高度在2000千米以下的近圓形軌道。由於低軌衛星離地面較近，絕大多數對地觀測衛星、測地衛星、載人航天器以及一些新的通信衛星系統都採用此軌道。傾斜角較低的低軌衛星處於低緯度的電離層環境中，充電效應很小，一般不會影響航天器安全。但傾角較高的低軌衛星在經過南北兩極時，會在磁緯度60°至80°之間遭遇到高能量的沉降電子，引起衛星表面充電。實際上，人們平時在南北極看到的極光正是這種沉降電子引起的。如圖7所示，左圖紅色表示某時刻的極光發生概率較高的區域，它位於環形的極光卵內，午夜區域概率最高。右圖給出的低軌衛星DMSP發生表面充電事件的位置隨磁緯度和地方時的分布，可以看到充電事件的發生位置正好對應極光發生概率最高的區域。眾所周知，地磁暴發生時極區的沉降粒子密度顯著增加，極光也會更加明亮。若此時低軌衛星經過極區，就有很高的幾率發生表面充電、放電，危險係數將大大提高（見圖8）。

圖8 極光沉降區內LEO衛星表面充電事件的發生頻率隨著地磁活動水平的增加而上升

空間環境

隨著人類文明的飛速發展，人類的日常生活越來越多地依賴通信、導航等各種衛星系統，然而許多衛星在惡劣的空間環境面前卻十分脆弱。地磁暴期間，劇烈變化的空間等離子體環境對航天器產生的表面充電效應常常能夠引起表面靜電放電，威脅航天器安全。因此對災害性空間天氣及其造成的航天器效應進行預報顯得十分重要。通過研究航天器表面充放電事件與空間環境參數的相關性，科研人員可以利用地磁指數及實地測量的電子通量等空間環境參數，對特定位置的在軌航天器的表面電位水平做出實時評估，或提前一段時間進行預報。利用該信息，工程師便可及時採取措施人為地控制表面電位（如啟動航天器電位主動控制儀），這樣可以緩解航天器表面帶電，有效降低其發生靜電放電的概率，保證航天器在軌安全。

本文經授權轉載自國家空間科學中心微信公眾號

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