過往匆匆的信使

陳芳烈

小小的流星到底是何方“神圣”呢？現(xiàn)在我們已經知道，它們來自火星和木星軌道之間的小行星帶，以及彗尾物質，或是宇宙塵埃。這些位于宇宙空間的被稱為流星體的小顆粒，在落入地球大氣層時，由于與大氣分子發(fā)生劇烈摩擦而燃燒發(fā)光。當美麗的流星劃過靜寂的夜空時，你可否知道，它或許正在為完成人類所賦予的光榮使命而燃盡了自己，奉獻了一生呢？

什么是流星余跡

應該說明的一點是，不是所有進入大氣層的宇宙顆粒與微小塵埃都能形成流星。速度太慢、無法與大氣分子摩擦而產生電離的，以及體積過大、進入大氣層概率很低的宇宙顆粒，都不能形成流星。一般來說，我們把質量在10-7～103克、半徑在20微米到4厘米之間的宇宙顆粒稱為流星體。

流星體在以高速進入地球大氣層后，會與大氣分子和原子發(fā)生劇烈碰撞而產生高溫，這使得從流星體中蒸發(fā)出眾多原子，它們的速度很快，具有相當大的能量，在與周圍空氣的分子和原子相碰撞時，產生了電離現(xiàn)象。也就是說，流星體和空氣中的中性分子和原子被分離為正離子和電子，同時伴隨著強烈的發(fā)熱、發(fā)光現(xiàn)象。于是，我們便可在地面上觀察到“流星余跡”。

上述電離過程以及發(fā)光、發(fā)熱的現(xiàn)象，只有當流星體穿越空氣密度達到一定程度的大氣層時才會發(fā)生，因此流星余跡多見于80～120千米高空。在流星體穿越這段空間時，會發(fā)光、發(fā)熱形成細長的圓柱狀電離尾跡——流星余跡。流星余跡平均長度約為25千米，最長可達50千米。

根據(jù)流星強度和密度的不同，它可以分為偶發(fā)流星、火流星和流星雨。偶發(fā)流星是單個出現(xiàn)的流星，它的出現(xiàn)具有不可預測性，在方向和出現(xiàn)時間上也都具有隨機性，但它數(shù)目眾多，是后面我們將要講到的實現(xiàn)流星余跡通信的主力?；鹆餍鞘桥及l(fā)流星中體積較大、在進入大氣后能發(fā)出像火龍般耀眼光芒的流星；流星雨即成群的流星，來源于彗星流星體。與偶發(fā)流星相比，它的出現(xiàn)機會較少，因而不可能成為流星余跡通信的主力。

稍縱即逝的“信使”

流星能夠反射無線電波的特性是1910年首次被發(fā)現(xiàn)的。雖然那時人們對其機理還沒有搞得十分清楚，但卻使人們想到利用它進行遠距離通信的可能性。

在經過深入研究后人們發(fā)現(xiàn)，流星的確能為人類傳遞信息。這是由于流星在進入大氣層時因摩擦而發(fā)出大量的光和熱，它促使從流星體飛出的原子與空氣中的分子和原子碰撞，產生電離現(xiàn)象，形成了一條柱形的電離云，即流星余跡。這種電離云具有能反射無線電波的特性。如果某地面無線電發(fā)射站對準流星余跡發(fā)射無線電波，那么經它反射的無線電信號就會被遠方的無線電接收站所接收，通信就此建立。

可能有人會提出這樣的疑問：流星不常看見，靠流星余跡來通信靠得住嗎？其實，據(jù)天文觀測，宇宙空間每天約有幾十億個（而不是幾個）流星像雨一樣掠過天空，最后墜落在地球大氣層里。這一事實便使流星余跡通信成為可能。盡管每小時都有上億個流星可以反射無線電波，擔負起建立兩地間通信的任務，但是，流星畢竟瞬息即逝，不適宜進行需要連續(xù)傳遞信息的話音通信，而比較適合于進行可以斷續(xù)進行的通信。例如，一些氣候和環(huán)境條件十分惡劣的氣象站，不僅不便架設電話線，就連一般無線電裝置也受氣候影響而一籌莫展，它收集的氣象數(shù)據(jù)便可以通過流星余跡通信傳送到千里之外的氣象專家手里。發(fā)射信息的一方通過無線電發(fā)射機把要發(fā)的信息一份一份地發(fā)送出去后，經過流星余跡的反射，被接收方的無線電接收機一份一份地接收下來，然后變換成連續(xù)的信息。

遠程通信方式比較

通信距離超過500千米的遠程通信，主要有衛(wèi)星通信、短波通信和流星余跡通信。這3種方式各有特點。

衛(wèi)星通信是利用人造地球衛(wèi)星作為中繼站來轉發(fā)無線電波，實現(xiàn)兩個或多個地球站之間的通信。它具有覆蓋面積大、傳輸距離遠、頻帶寬、容量大、靈活機動以及通信質量好等一系列優(yōu)點，是目前擔負洲際通信和全球電視轉播的主力。但它的抗干擾能力、抗摧毀能力都較弱，且建設和維護費用較高。

短波通信是利用電離層所具有的反射電波的特性來實現(xiàn)遠距離通信。它具有投資少、組網靈活、應變能力強等優(yōu)點。但它易受太陽風、太陽黑子活動等自然因素的影響，也難以承受核爆炸條件下電離層受到破壞對通信造成的嚴重影響。

流星余跡通信利用的是“自然衛(wèi)星”——流星，不僅具有投資少、運營費用低的特點，還不受外界惡劣條件的影響，具有抗干擾、抗摧毀的特點，即便發(fā)生核戰(zhàn)爭，它也能很快恢復通信。然而，流星的突發(fā)性和間歇性也限制了它在實時通信場合的應用，而在應急通信領域，它卻是游刃有余。

上面講到，由于流星余跡具有突發(fā)、間歇的性質，因而流星余跡通信比較適合于小容量、無實時要求的場合。但流星余跡通信也有它的非凡個性，如具有大跨距、抗干擾、抗核爆、低截獲的特性。這使得它在現(xiàn)代戰(zhàn)爭條件下，當指揮控制通信系統(tǒng)受到物理和電子攻擊時，成為保證最低限度應急通信的重要手段。特別是一旦爆發(fā)核戰(zhàn)爭，各種常規(guī)通信手段都受到嚴重破壞的情況下，流星余跡通信就會發(fā)揮它獨特的優(yōu)勢。

在民用方面，應急通信正在成為全球關注的焦點。從“9·11”等恐怖襲擊，到印度洋海嘯、汶川地震等突如其來的自然災害，無不顯示建立應急通信系統(tǒng)的重要性，而流星余跡通信作為衛(wèi)星通信的補充，可以在地面通信系統(tǒng)全部失靈的情況下發(fā)揮其重大作用。它還可以用于遠程監(jiān)視、數(shù)據(jù)采集、自然災害預警、遠洋運輸管理、防汛指揮、氣象預報、極地和無人區(qū)通信以及孤島燈塔自動控制等場合。

流星余跡的應用突顯了人類的智慧。相信在不斷的技術完善中，流星余跡通信將會為人類做出更多的貢獻。

流星余跡通信的百年歷程

流星余跡通信從發(fā)現(xiàn)、發(fā)展到今天，已經整整走過百年的歷程。

早在1910年，當哈雷彗星的彗尾經過地球時，就有一個叫皮卡德的美國人嘗試向流星雨發(fā)送信號，希望通過眾多流星雨的反射，在馬薩諸塞州接收到反射信號?？上В捎诋敃r的流星雨太小，沒有得到有價值的結果。但這次試驗卻說明，人們已經開始關注流星余跡的特殊功能，探索利用流星余跡進行通信的可能性。

1921年，美國一家名為“長波傳輸局”的機構在進行電波觀測試驗時，意外地發(fā)現(xiàn)流星群的出現(xiàn)與電波的接收之間存在明顯的關系。隨后，便有一些討論實現(xiàn)流星余跡通信可能性的論文發(fā)表，但大都是建立在鏡面反射的原理基礎上的，并未揭示流星反射電波的實質。

不過，流星余跡可行性一經提出，便推動世界各國投入大量人力、物力進行深入的觀測和研究活動。1935年，美國人斯科萊特發(fā)現(xiàn)了流星余跡內電子受激產生振蕩而反射電波的通信機理，從而揭示了流星余跡通信的本質。這使得對于這種新的通信方式的研究達到一個新的高度。

在第二次世界大戰(zhàn)期間，流星余跡通信在戰(zhàn)爭中的獨特優(yōu)勢，也進一步推動了對它的研究。據(jù)說，在戰(zhàn)爭中英國的超高頻雷達曾利用流星余跡對電波的反射，成功地完成了對德國V2導彈的輔助識別。

20世紀五六十年代，流星余跡通信的研究進入了活躍期。在這個階段，不僅深入地進行有關流星余跡通信的理論研究，還搭建了若干實際通信系統(tǒng)。1953年，加拿大國防部完成的流星余跡突發(fā)系統(tǒng)，堪稱國外最早建成的流星余跡通信系統(tǒng)，是驗證流星通信可行性的里程碑。在這個階段，美國空軍劍橋研究中心通過實驗證實了流星余跡通信可應用于移動目標；美國波音公司也取得了在陸地和海上進行這類通信的初步成果。

經歷了一段沉寂期之后，20世紀80年代，由于理論的成熟，技術和設備的進步，在一系列事件的激勵下，流星余跡通信又大步向前了。美軍將其列為新的戰(zhàn)略通信手段，俄羅斯、日本等國也都加大了這方面的研究力度。20世紀90年代，基于各國的研究成果，建立了3種典型的流星余跡通信模型，使流星余跡通信的研究和實際應用又邁出了歷史性的一步。我國早在20世紀70年代便著手建立第一代流星余跡通信系統(tǒng)，并在這方面始終與國際的最新進展保持同步。

【責任編輯】龐 云endprint