“嫦娥二號(hào)”探月工程中的地理問(wèn)題

浙江省衢州第二中學(xué)（324000） 金子興

“嫦娥二號(hào)”探月工程中的地理問(wèn)題

浙江省衢州第二中學(xué)（324000） 金子興

共和國(guó)迎來(lái)第六十一個(gè)生日之際，萬(wàn)眾矚目的“嫦娥二號(hào)”騰空而起，直飛月球。與首次奔月的“嫦娥一號(hào)”相比，“嫦娥二號(hào)”首次運(yùn)用火箭將衛(wèi)星直接送入地月轉(zhuǎn)移軌道，進(jìn)入工作軌道時(shí)間更快、測(cè)量精度更高、試驗(yàn)項(xiàng)目更多，繞月飛行軌道高度由200公里降至100公里，離月球更近了。

探月工程實(shí)際上與我們每個(gè)人的生活都息息相關(guān)。美國(guó)領(lǐng)先于世界的信息、生物、新材料等高新技術(shù)，很大部分來(lái)自對(duì)“阿波羅”工程技術(shù)的消化、優(yōu)化和二次開(kāi)發(fā)。我國(guó)探月工程所帶動(dòng)的基礎(chǔ)科學(xué)和高新技術(shù)的進(jìn)步，也會(huì)對(duì)經(jīng)濟(jì)發(fā)展發(fā)揮牽引和推動(dòng)作用。

同時(shí)，月球上特有的能源和礦產(chǎn)，也是對(duì)地球資源的重要補(bǔ)充和儲(chǔ)備。氦的同位素氦－3，能在核聚變反應(yīng)中釋放巨大能量，而且?guī)缀醪划a(chǎn)生放射性污染，被認(rèn)為是21世紀(jì)人類社會(huì)的完美能源。月球上就存在大量的氦－3。據(jù)初步估算，月球上蘊(yùn)藏的氦－3大約為100萬(wàn)噸到500萬(wàn)噸，可供人類使用一萬(wàn)年以上。

另外，由于月球上太陽(yáng)輻射強(qiáng)，每年可產(chǎn)生12億千瓦的能量，因此，在月球建立太陽(yáng)能發(fā)電站也可能成為人類獲取新能源的途徑之一。

探月工程月球應(yīng)用科學(xué)首席科學(xué)家嚴(yán)俊說(shuō)，探月工程的實(shí)施，還激發(fā)了很多年輕人探索科學(xué)、探索宇宙的熱情。探月工程，從中學(xué)地理的角度上看，可以在哪些方面激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)熱潮呢？

一、從選擇發(fā)射地點(diǎn)分析影響發(fā)射條件的區(qū)位因素

影響發(fā)射條件的區(qū)位因素有很多，從地理角度上看，選擇西昌作為“嫦娥”的“娘家”，是因?yàn)檫@里有得天獨(dú)厚的地理和自然條件：年平均氣溫18 攝氏度，是全國(guó)氣候變化最小的地區(qū)之一，日照多達(dá)320天，幾乎沒(méi)有霧天，試驗(yàn)周期和允許發(fā)射的時(shí)間較多；緯度低( 28．2°N)，海拔高(1500米)，可充分利用地球自轉(zhuǎn)的離心力，又可縮短地面到衛(wèi)星軌道的距離，從而節(jié)省火箭的有效負(fù)荷；峽谷地形好，地質(zhì)結(jié)構(gòu)堅(jiān)實(shí)，有利于發(fā)射場(chǎng)的總體布局。

二、從嫦娥公轉(zhuǎn)軌道看軌道的形狀、速度與方向

“嫦娥二號(hào)”的軌道：是一個(gè)近地點(diǎn)高度212．8公里、遠(yuǎn)地點(diǎn)高度356996公里km，軌道傾角28．5度的地月轉(zhuǎn)移軌道，向東南方向繞地球公轉(zhuǎn)，以直航航線奔向月球（如圖1）。

圖1

“嫦娥一號(hào)”的軌道：在繞地球公轉(zhuǎn)過(guò)程中經(jīng)過(guò)三次變軌后再奔向月球的近月軌道（如圖2）

圖2

從公轉(zhuǎn)線速度出發(fā)，衛(wèi)星在繞地（月）公轉(zhuǎn)過(guò)程中，公轉(zhuǎn)線速度與離地（月）距離成反比，離地（月）球越近，公轉(zhuǎn)速度越快。

例1：“嫦娥二號(hào)”與“一號(hào)”相比，近月軌道降低到100km，則其線速度與“一號(hào)”相比將如何變化？為什么？

例2：讀圖3，比較“嫦娥二號(hào)”繞月飛行的線速度大小（VA、VB、VC）?

分析：“二號(hào)”與“一號(hào)”相比，近月軌道離月球更近，公轉(zhuǎn)的線速度就越快。這是因?yàn)楣D(zhuǎn)的線速度與離月球的距離成反比。第二題同理。

從軌道出發(fā)，首先二者有不同之處：“嫦娥二號(hào)”與“一號(hào)”相比最大的不同是直航航線，而“一號(hào)”是通過(guò)三次變軌才奔向月球；在繞月軌道中，“嫦娥二號(hào)”又比“一號(hào)”近了100km；在繞月極地軌道公轉(zhuǎn)方向上，“二號(hào)”是逆時(shí)針，而“一號(hào)”是順時(shí)針。

其次，因?yàn)椤版隙鸲?hào)”地月轉(zhuǎn)移軌道與地球赤道平面成28．5角，這樣“嫦娥二號(hào)”從西昌發(fā)射升空后，沿著東南方向從28．5°N 至28．5°S之間移動(dòng)。這樣在不同緯度地帶，借助科技手段在地面上觀察“嫦娥二號(hào)”看到的角度就有不同，其角度類似于正午太陽(yáng)高度角的季節(jié)變化。

例3：下列哪個(gè)地區(qū)“嫦娥二號(hào)”肯定飛不到其天頂？

A． 珠江三角洲 B． 鄱陽(yáng)湖平原

C． 冰島 D． 亞馬孫河平原

分析：A、B、D位于28．5°N 至28．5°S之間，嫦娥二號(hào)就有可能位于其天頂，冰島緯度高，二號(hào)就沒(méi)有機(jī)會(huì)到達(dá)其天頂?shù)目赡堋?/p>

例4：在2日凌晨4時(shí)33分“嫦娥二號(hào)”到達(dá)青島（36°N，120°E）上空，它從“遠(yuǎn)望六號(hào)（Y6）”船的手中接到測(cè)控接力棒。讀圖4，試判斷它在青島哪個(gè)方向升起并求在青島上空可能的高度角范圍？

分析：青島是在遠(yuǎn)望6號(hào)的手中按過(guò)測(cè)控接力棒的，而遠(yuǎn)望六號(hào)在圖中位于青島的東南方向，據(jù)此，可以判定“嫦娥二號(hào)”此時(shí)位于青島的東南方向。“嫦娥二號(hào)”最北位于28．5°N，最南位于28．5°S，這樣其在青島上空升起時(shí)最大角與最小角可能分別是82．5°與25．5°。

三、從測(cè)控站的地理分布看“日凌”現(xiàn)象

圖3

這次“嫦娥二號(hào)”衛(wèi)星發(fā)射，西安測(cè)控中心、喀什測(cè)控站和青島測(cè)控站、廈門(mén)測(cè)控站等國(guó)內(nèi)測(cè)控站，都會(huì)和執(zhí)行其他發(fā)射任務(wù)一樣全時(shí)進(jìn)行測(cè)控。為了確保這次發(fā)射任務(wù)中的測(cè)控不間斷、無(wú)間隙，測(cè)控系統(tǒng)還啟用了國(guó)外的測(cè)控站，一個(gè)是租用歐洲太空局的輔助站，另外是我國(guó)自主在智利建造的測(cè)控站（如圖4）。

圖4

從空間上看，為了實(shí)現(xiàn)不間斷連續(xù)觀察，這些測(cè)控站絕大部分分布在南北28．5°之間。在地面上布置這么多的測(cè)控站，一是因?yàn)闇y(cè)控站控制的范圍有限，二是可以避免“日凌”現(xiàn)象的影響。

“日凌”現(xiàn)象是指太陽(yáng)、衛(wèi)星和地面站的數(shù)據(jù)接收天線恰巧在一條直線上，太陽(yáng)產(chǎn)生的強(qiáng)大的電滋波將干擾地面站的天線接收衛(wèi)星信號(hào)，導(dǎo)致衛(wèi)星接收系統(tǒng)接受到的信號(hào)質(zhì)量下降甚至中斷。一年中，日凌現(xiàn)象影響的時(shí)間段在春秋分日前后，就同緯度地區(qū)而言，受“日凌”現(xiàn)象影響的地區(qū)在地表的移動(dòng)方向是自西向東，在不同緯度地區(qū)而言，春分日前后表現(xiàn)為向北而南移動(dòng)，在秋分日前后而言，表現(xiàn)為自南向北移動(dòng)。為了克服“日凌”現(xiàn)象，一是提前預(yù)報(bào)，重要通訊避開(kāi)日凌；二是多顆衛(wèi)星、多個(gè)地表接收站同時(shí)工作；三是在未“日凌”時(shí)，提前將工作指令輸入衛(wèi)星讓其定期執(zhí)行任務(wù)。

從測(cè)控站接收信息的順序出發(fā)，可以判斷測(cè)控站接收信號(hào)的先后。

例5：地面測(cè)控站接收到“嫦娥二號(hào)”信號(hào)的先后順序是：①遠(yuǎn)望五號(hào)，②廈門(mén)站，③遠(yuǎn)望3號(hào)，④遠(yuǎn)望六號(hào)

A． ①②③④ B． ①③②④

C． ②①③④ D． ①③④②

分析：“嫦娥二號(hào)”升空后，是向東南方向運(yùn)行的，這些測(cè)控站位于其軌道之內(nèi)，按自西向東的順序就能先后測(cè)到“嫦娥二號(hào)”的信號(hào)了。正確答案是C。

例6：青島站在“嫦娥二號(hào)”飛行九個(gè)多小時(shí)后才測(cè)到其信號(hào)，主要原因是什么？在我國(guó)的測(cè)控站中，哪個(gè)站最后一個(gè)捕捉到嫦娥二號(hào)的信號(hào)？

分析；一是青島緯度相對(duì)軌道來(lái)說(shuō)較高，二是“嫦娥二號(hào)”在發(fā)射升空時(shí)離地球表面較近，發(fā)射的信號(hào)輻射的范圍有限。從測(cè)控站的空間分布出發(fā)，分析形成的原因。

例7：這次測(cè)控站，啟用了歐洲太空局的輔助站和我國(guó)自主在智利建設(shè)的圣地亞哥站，主要目的有哪些？

分析：主要是能實(shí)現(xiàn)對(duì)嫦娥二號(hào)連續(xù)不間斷觀察。

四、從探月的四大使命看遙感技術(shù)與地理信息系統(tǒng)

嫦娥二號(hào)有四大使命：一是獲取更高精度月球表面三維影像，分辨率由嫦娥一號(hào)衛(wèi)星的120米提高至優(yōu)于10米；二是探測(cè)月球物質(zhì)成分；三是探測(cè)月壤特性；四是探測(cè)地月與近月空間環(huán)境。這主要通過(guò)遙感技術(shù)和地理信息系統(tǒng)來(lái)完成。嫦娥一號(hào)搭載的CCD相機(jī)分辨率為120米。而嫦娥二號(hào)在100公里圓軌道和100公里×15公里軌道的近月點(diǎn)處，將分別對(duì)“嫦娥三號(hào)”的預(yù)選著陸區(qū)進(jìn)行優(yōu)于10米和1．5米分辨率的成像試驗(yàn)，分辨率有了很大提高。

例8：“嫦娥二號(hào)”衛(wèi)星開(kāi)展拍攝三維影像等工作所使用的技術(shù)主要是

A． 遙感技術(shù) B． 地理信息技術(shù)

C． 全球定位技術(shù) D． 電子通信技術(shù)

例9：讀月球示意圖（圖5），外圈是 “嫦娥二號(hào)”繞月公轉(zhuǎn)軌道圖，圖中A—E是月球背面以中國(guó)古代人名命名的月坑。月球赤道面與黃道面交角為1．54°，回答下列問(wèn)題。

描述月球表面太陽(yáng)直射點(diǎn)的變化規(guī)律。

分析：與地球表面的太陽(yáng)直射點(diǎn)類似。太陽(yáng)直射點(diǎn)在南北緯1．54°之間來(lái)回移動(dòng)。

“嫦娥二號(hào)”升空并發(fā)回首幅成像，是一種“國(guó)家榮譽(yù)”，是對(duì)國(guó)慶節(jié)的另一種形式的隆重獻(xiàn)禮，這一刻值得中國(guó)人民永遠(yuǎn)銘記，它令全國(guó)人民的民族自豪感和自信心大增。通過(guò)電視和網(wǎng)絡(luò)直播嫦娥二號(hào)的發(fā)射實(shí)況，報(bào)道和分析嫦娥二號(hào)的運(yùn)行情況，對(duì)全國(guó)人民，尤其是對(duì)青少年來(lái)說(shuō)，是一次生動(dòng)形象的科普教育。比如長(zhǎng)征三號(hào)丙等長(zhǎng)征三號(hào)系列火箭介紹、太陽(yáng)能帆板、修正軌道、地月軌道等科技名稱和數(shù)據(jù)，必將深入青少年的心，并幫助青少年學(xué)到很多科學(xué)知識(shí)。同時(shí)，宇宙的奧秘必將吸引青少年的興趣，為培養(yǎng)后續(xù)科技人才埋下了啟蒙的種子。