なぜ各国の宇宙ステーションや衛星は高度400キロメートルの軌道に集中しているのでしょうか？

少し前に、とても興味深い質問を受けました。「なぜ私たちの天宮宇宙ステーションは、国際宇宙ステーションのように、高度 400 キロメートル近くの軌道を選んだのですか?」高度400キロには何か特別なことがあるのでしょうか？

この観察は特に詳細です。実際、高度数百キロメートルで運用されている衛星は数多く存在し、人工衛星が最も密集している宇宙領域でもあります。たとえば、有名なハッブル宇宙望遠鏡は高度約 500 キロメートルにあります。そのため、このエリアでは、スペースデブリを含むさまざまな宇宙船が衝突しないように常に監視する必要があります。

では、衝突の可能性を減らすために、衛星の軌道をより分散するように設計したらどうでしょうか?たとえば、衛星の軌道を下げるとどうなるでしょうか?実際には、大気の密度は高度とともに指数関数的に減少するため、これは非常に簡単に想像できます。したがって、衛星の軌道が 300 キロメートル以下に下がると、大気の抵抗が大幅に増加し、衛星の速度が急速に低下し、衛星は墜落するまで高度が低下し続けます。では、衛星の軌道をもっと高く設計できるのでしょうか?

これは実際に可能であり、実際により高い軌道を周回している衛星もいくつか存在します。しかし、今回私たちは宇宙放射線という別の脅威に直面することになります。そういえば、放射線というのはそれほど不思議なものではありません。私たちは日常生活の中でさまざまな種類の放射線にさらされています。太陽光や無線通信は実は放射線です。しかし、この放射線では、各光子のエネルギーは非常に小さいため、私たちに害を及ぼすことはありません。しかし、X 線光子や宇宙の高エネルギー荷電粒子などの高エネルギー粒子は、原子をイオン化する、つまり電子を叩き出すのに十分なエネルギーを持っています。人々がこのような電離放射線環境にさらされると、中枢神経系の損傷や骨髄造血機能の破壊を引き起こし、がんのリスクも高まります。高エネルギー粒子は衛星の部品の充電や放電を引き起こし、機器に直接損傷を与える可能性もあります。場合によっては、一部のコンポーネントの潜在的な状態が 0 から 1 へ、または 1 から 0 へジャンプし、計算結果が不正確になることもあります。運が悪ければ、システムがクラッシュする可能性もあります。そのため、これらの粒子は衛星「キラー」粒子と呼ばれることもあります。

写真はTuchong.comより

地球の近くの宇宙には高エネルギー粒子が多数存在し、この領域は放射線帯と呼ばれています。実際、放射線帯は宇宙時代における人類の最初の科学的発見でした。周知のとおり、1950年代にソ連とアメリカは相次いで人工衛星を打ち上げ、宇宙覇権をめぐる競争が始まりました。ソ連とアメリカの初期の衛星のいくつかには、電離放射線を測定するために特別に設計されたガイガーカウンターと呼ばれる粒子検出器が搭載されていました。やがて、アメリカの科学者ヴァン・アレンは、宇宙の放射線量がこれまでの想像をはるかに超え、ガイガーカウンターの範囲を超えていることを発見しました。そこで人々は後に、ヴァン・アレンにちなんで放射線帯をヴァン・アレン放射線帯と名付けました。

現在では、ヴァン・アレン放射線帯の高エネルギー粒子は、実際には地球の磁場によって地球近くの空間に閉じ込められ、2つの磁極の間を行き来していることが分かっています。もちろん、これらの高エネルギー粒子が地球の表面に到達するのは容易ではありません。一方、地球に近づくほど磁場は強くなり、これらの粒子は簡単に跳ね返される可能性があります。一方、大気が存在するため、これらの粒子は大気中の分子や原子と衝突し、エネルギーを失います。したがって、一般的には、高度が上昇し、大気の密度が減少するにつれて、宇宙空間のこれらの高エネルギー粒子が急速に増加し、衛星や宇宙飛行士に大きな脅威をもたらします。

したがって、放射線帯の影響を避けるために、誰もが衛星があまり高く飛行しないように最善を尽くすでしょう。もちろん、低すぎると簡単にクラッシュしてしまいます。するとこの数百キロメートルの高度が最も理想的な軌道となります。しかし、衛星を月などさらに遠くまで飛ばしたり、地球上の特定の地点に固定したり、高度3万キロメートル以上の静止軌道に到達したりする必要がある場合は、放射線の問題をより真剣に考慮する必要があります。もちろん、防護装甲の厚さを増やすことはできますが、結局のところ、宇宙船の重量には制限があり、装甲を無制限に増やすことはできません。ですから、人々は放射線帯について、例えばこれらの粒子はどこから来るのかなど、より深く理解する必要があります。どのように加速されるのでしょうか?それらは宇宙でどのように分布しているのでしょうか?

また、太陽活動がある場合、これらの高エネルギー粒子の分布はどのように変化するのでしょうか?現在、世界の主要な宇宙大国がこの分野の研究を行っており、我が国も放射線帯の高エネルギー粒子の分布を含む宇宙天気予報サービスを開始しました。このようにして、重要な瞬間に、特定の回避行動をとったり、少なくとも一部の機器を停止して、より大きな損失を回避することができます。

結局のところ、これらの小さな粒子が、私たちが星の海に向かって走るのを止めさせることはできません。

この記事は、科学普及中国星空プロジェクトの支援を受けた作品です。

著者: 周旭志

査読者：劉勇（中国科学院国家宇宙科学センター研究員）

制作：中国科学技術協会科学普及部

制作：中国科学技術出版有限公司、北京中科星河文化メディア有限公司