什么?卫星怎么还排上午班下午班啊?

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8 月 3 日，咱们的风云 3 号 06 星成功发射升空。在很多相关的新闻报道中，我们可能会看到，它被称作“太阳同步上午轨道卫星”。“上午”轨道卫星是怎么个意思？还有下午卫星、晚上卫星什么的吗？

这些其实主要与卫星的轨道及功能有关，今天咱们就来简单聊聊。

上午下午算什么

卫星还有早班呢

既然这次发射的是气象卫星，咱就先拿气象卫星举个例子。根据气象卫星的业务特色，它们的运行轨道一般有两种：一是地球静止轨道，二是近极地太阳同步轨道，也叫做极地轨道。

我们最关心自家的天气，需要有个卫星时时刻刻盯着中国看，所以从地面看来，这颗卫星始终悬在我们上空一动不动。我们又知道地球在自转，所以这颗“静止”在我国上空的卫星，实际上是随着地球的自转周期，同步一起转。我们的风云卫星里双号的（如 2 号、4 号）都是这类的静止卫星，它们的卫星云图永远展示中国所在的这面地球。
天下一家，中国的天气不是孤立的，所以我们还需要极地轨道卫星扫描全球。极轨卫星穿梭于南北极之间，不但能看到地球的另一面，还可以弥补静止卫星观测不到极地的缺点。
气象卫星所在的极地轨道叫做“近极地太阳同步轨道”，就是说，不论地球转到太阳的哪个方位，卫星轨道和昼夜分界线的夹角总是固定的。这样，卫星每次运行到白昼这一面时，它下方的地面总在同一个时间点，光照视角永远相同，可以保证观测数据的一致性。我们的风云单号（1 号、3 号）都是这样的近极地太阳同步轨道卫星。


北极“俯视”视角看到的太阳同步极地轨道。图源：作者
那么为什么要有“上午星”和“下午星”呢？因为天气常常和上下午密切相关。
举个实际的例子：青藏高原的云常常和人类一样“上下班”，早晨从地面蒸腾起来，中午形成浓云，下午到傍晚再降回地面。就算在大平原上，大家也会察觉到，强对流天气一般发生在午后到傍晚，很少出现在早晨或上午。所以，极轨气象卫星分为上午星和下午星，可以用来观测上午和下午不同时间段的天气现象。当上午星出现在地球的白天一面时，它正下方的那个地区，总是当地上午，而下午星则在下午。
而中国的风云 3 号 E 星，则有些特殊，它是全球首发民用“晨昏星”，也称“黎明星”，它运行在昼夜分界线（也称晨昏线）上空，弥补了国际上民用气象卫星只有上下午轨道卫星的空白，并且它所在的轨道一直位于阳光下，除了观察地球，更是可以不间断地观测太阳天气，对耀斑、冕洞等太阳活动的监测预警具有重要意义。

轨道选什么，功能说了算

读到这里，大家想必也悟到了：卫星的轨道部署，要和它的功能相应。
确实如此。例如，中国的羲和号太阳观测卫星，为了持续研究太阳大气动力学，运行在晨昏线上空的太阳同步轨道上（有点像气象晨昏星）。美国的韦布太空望远镜，为了躲避红外线的干扰，飘荡在背离太阳和地球的第二拉格朗日点，还拉起一个网球场大且有 5 层的遮阳罩，把太阳和地球方向过来的辐射挡得严严实实。
再比如空间站，我们一起来想一想，如果让我们来设计空间站轨道，应该把它放在哪里好？我们要考虑到空间站是个住人的地方，所以它周围的空间条件不能有太强的电离辐射。我们平时在地面上，被地球磁场和大气保护，总觉得太空只是荒凉而已，出舱活动只需要保温保压就行了。
其实，离地 640～58000 千米的高处，有一圈范艾伦辐射带，里面充斥着被地球磁层捕获的高能带电粒子，颗颗都是满满的恶意。所以，空间站的轨道要避开这片区域，中国空间站和国际空间站的高度都只有 400 千米左右，也就是西安到郑州的直线距离。


人类在太空中能够中长期逗留的范围。

从范艾伦辐射带的剖面图还可以看出，在地球的高纬度地区，辐射带更贴近地面。我们也都知道，极光就是太阳风轰击地球大气形成的。既然地球两极附近的空间环境很差劲，那么空间站除了高度低之外，纬度也要低。中国空间站只在南北纬 42° 之间运行，国际空间站由于要从俄罗斯的拜科努尔发射场上人上货，所以不得已选择了较大的 52° 倾角。
再比如导航卫星，如北斗和 GPS，在包括两极在内的全球各地，我们都需要随时看到至少三到四颗卫星以便定位导航。所以它们中间的大多数既要动起来，又不能像空间站那样贴着地飞。它们的理想位置在离地 2 万千米附近的“中地球轨道”上。
卫星做什么，空间环境怎样，决定了它怎么飞。我们把这个思路推而广之，还可以理解一些派往别的星球的深空探测器看似奇怪的轨道。例如在木星附近做大气研究的朱诺号，按说，既然要研究大气，那么贴着木星脸飞就好了。但朱诺号的轨道实际上是个很扁的椭圆，近时离木星表面只有 4200 千米，远时却要飞到 800 万千米开外。为什么呢？因为木星有个极其强大恐怖的磁层，一直待在里面的话，会死。所以朱诺号只能采取这种“摸一下就跑” 的策略，每次疾速飞掠一下，然后赶紧逃到远处，在安全的地方，慢慢整理数据发回地球。


朱诺号木星探测器的极扁轨道。

卫星轨道，这样区分

文章开头我们说过，气象卫星分为两种轨道，一种是静止轨道，一种是极地轨道。我们现在就来学习一个小技能：当我们看到一幅云图时，怎样识别它是哪种轨道的气象卫星拍出来的呢？
你放心，绝无公式定理，也不需要摁计算器，只需要看视野，定高度。
比如下面这幅全球云图。我们知道，静止轨道卫星和地球同步转动，中国上空的永远只看中国这个半球，所以，既然看到了全球，那么它一定不是静止轨道卫星的作品，而是由极地卫星一次次飞掠扫描的图像拼接而成。事实上，我们可以看到海洋上空特别明显的，规律的一道道“扫描”痕迹（模糊的平行白印），那正是极地轨道卫星掠过海洋时拍到的洋面反光。


风云 3 号 D 星拍摄的全球云图。
再比如下面这幅地球云图。静止卫星的轨道极高（距地面大约 36000 千米），从它的位置才能看到这么一个球体，大约相当于整个地球的 1/3，又称作“圆盘图”。相比之下，极地轨道上运行的卫星只能看到地球上一片很小的局部。


风云 4 号 A 星拍摄的亚太地区云图。
总结一下，如果你看到了个球体，那就是静止卫星拍的，如果看起来跟挂在墙上的世界地图神似，那就是极地卫星拍的啦！

策划制作

作者丨曲炯 科普创作者

审核丨杨磊 国家卫星气象中心 风云四号副总师

策划丨丁崝

责编丨一诺

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了解卫星的轨道及功能