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2022-09-07 06:27秋慈
科學(xué)之友 2022年9期
逐日追風(fēng)，人類自古有之。
身處太陽系之中，人類無法不對太陽系的中心——給地球帶來光明與能量的太陽產(chǎn)生好奇和探究欲。
認(rèn)識與人類關(guān)系最密切的恒星太陽“發(fā)威”后果很嚴(yán)重
大約46億年前，在距離銀河系中心約2.6萬光年之處的螺旋臂上，一團(tuán)分子云開始在自身的引力作用下坍縮，并逐漸形成了今天我們所熟悉的太陽。
太陽直徑約139萬千米，質(zhì)量是地球的33萬倍。從古至今，太陽引發(fā)了人類太多的思考，我們對這顆耀眼的恒星充滿了好奇。
不過，人們最為關(guān)心的問題總是繞不開太陽對地球造成的影響。盡管太陽與地球平均距離達(dá)1.5億千米，但一旦太陽“發(fā)威”，就會給地球帶來不可估量的后果。
2003年10月31日，太陽爆發(fā)了一次強(qiáng)磁暴，使歐美的一系列科學(xué)衛(wèi)星都遭受了不同程度的損害，導(dǎo)致全球衛(wèi)星通信受到干擾，GPS全球定位系統(tǒng)受到影響，定位精度出現(xiàn)了偏差，致使地面和空間一些需要即時通信和定位的交通系統(tǒng)出現(xiàn)不同程度的癱瘓。
究其原因，就是太陽發(fā)射出大量帶電高能粒子，對地球電磁環(huán)境造成嚴(yán)重破壞，其中尤以太陽黑子、耀斑和日冕物質(zhì)拋射對地球電磁環(huán)境影響最為顯著。
太陽黑子存在于太陽光球表面，是磁場的聚集之處，借助現(xiàn)代科技，科學(xué)家觀測到太陽黑子的數(shù)量和位置每隔11年就會出現(xiàn)周期性的變化。
太陽耀斑則是一種強(qiáng)烈的輻射爆炸，是太陽系中最激烈的局地爆炸事件，它所輻射出的光的波長橫跨整個電磁波譜。一個中等強(qiáng)度的耀斑，可發(fā)射出從伽馬射線到無線電波段的強(qiáng)大輻射，總能量相當(dāng)于10億～100億個原子彈爆炸。
日冕物質(zhì)拋射則是太陽系中規(guī)模最大、對地球的影響最為嚴(yán)重的爆發(fā)現(xiàn)象，一次爆發(fā)能把1億～10億噸物質(zhì)拋射到行星際空間。
太陽的爆發(fā)性活動不會像地震、暴雨那樣給人類帶來直接的、巨大的災(zāi)難，但由于人類進(jìn)入太空時代已經(jīng)半個多世紀(jì)，對各種衛(wèi)星以及導(dǎo)航、通信等高科技系統(tǒng)的依賴性越來越強(qiáng)，而衛(wèi)星與高科技系統(tǒng)恰恰會受到太陽活動的直接影響。一旦太陽“發(fā)威”，會嚴(yán)重影響航天、導(dǎo)航、定位、通信等高科技系統(tǒng)。因此，對太陽的觀測研究具有重要科學(xué)意義和實(shí)際應(yīng)用價值。
據(jù)計算，太陽一旦發(fā)生日冕物質(zhì)拋射等爆發(fā)活動，科學(xué)家可以在它影響地球前40個小時以內(nèi)得到信息，從而及時做出防護(hù)，避免可能的破壞。
觀測手段不斷進(jìn)步從肉眼到望遠(yuǎn)鏡再到空間探測器
人類對太陽的觀測由來已久，廣義的觀測最早可追溯到上古時代。我國早在漢成帝河平元年（公元前28年）就有了肉眼觀測太陽黑子的記錄。
對太陽進(jìn)行系統(tǒng)觀測則始于1610年，即伽利略發(fā)明天文望遠(yuǎn)鏡后的第二年，人類開始用望遠(yuǎn)鏡觀測和記錄太陽黑子，開啟了科學(xué)觀測太陽的時代。
經(jīng)過400多年的發(fā)展，尤其自20世紀(jì)50年代末進(jìn)入太空時代以來，通過地基太陽望遠(yuǎn)鏡和天基太陽探測器的聯(lián)合觀測，人類對太陽有了全新認(rèn)識。
太陽的內(nèi)部結(jié)構(gòu)可分為核心區(qū)、輻射層和對流層，太陽的大氣層次可分為光球?qū)?、色球?qū)印⑦^渡區(qū)和日冕層。我們也在一定程度上理解了太陽活動的周期性、產(chǎn)生太陽磁場的發(fā)電機(jī)理論、太陽磁場和太陽爆發(fā)的內(nèi)在聯(lián)系等。
從世界范圍來看，自20世紀(jì)60年代以來，隨著航天技術(shù)的快速發(fā)展，全世界已發(fā)射了70多顆太陽觀測衛(wèi)星，主要集中在美國、俄羅斯、日本等國，聚焦于太陽黑子、耀斑和日冕物質(zhì)拋射的觀測研究。
例如，1990年發(fā)射、首次實(shí)現(xiàn)太陽極軌探測的尤利西斯號探測器；2018年發(fā)射、首次對太陽進(jìn)行最近距離抵近探測的帕克太陽探測器；2020年發(fā)射、計劃首次獲取太陽極區(qū)圖像并近距離探測太陽風(fēng)等離子體、高能粒子的太陽軌道飛行器等。
隨著科學(xué)技術(shù)的發(fā)展，太陽觀測衛(wèi)星的水平越來越高，而且越來越靠近太陽。例如，帕克太陽探測器到太陽表面最近距離只有太陽半徑的8.86倍，比水星到太陽的距離還要近。
國際上太陽探測如火如荼，中國的太陽探測計劃當(dāng)然也不能落后。“十三五”期間，國家航天局就組織中國航天科技集團(tuán)、南京大學(xué)、中國科學(xué)院等單位研究制定了空間科學(xué)研究發(fā)展路線圖，并且緊鑼密鼓地開始實(shí)施。
帕克太陽探測器
我國目前已經(jīng)制定了兩個太陽探測計劃，分別是“羲和”和“夸父”探測計劃，這是太陽探測的中國方案和中國貢獻(xiàn)。羲和是中國上古神話中的太陽女神，是掌管時間和歷法的太陽神，并以太陽母親的形象為人們所認(rèn)知。夸父源自《山海經(jīng)》，夸父追日，最后化身為夸父山的傳說廣為人們所熟知。羲和號實(shí)現(xiàn)了我國太陽探測的破冰之旅，“夸父”探測計劃已納入中國科學(xué)院先導(dǎo)計劃。
此外，我國正在論證后續(xù)太陽探測發(fā)展計劃，科學(xué)家們希望按照在黃道面（地球繞太陽公轉(zhuǎn)的軌道平面）內(nèi)多視角探測、大傾角太陽極區(qū)探測和太陽抵近觀測“三步走”實(shí)施，進(jìn)一步了解太陽的構(gòu)造，確定太陽活動的三維結(jié)構(gòu)，掌握其機(jī)理和活動規(guī)律，從而造福人類，趨利避害。
全方位立體探測太陽中國科研團(tuán)隊提出大膽設(shè)想
“如果想對太陽進(jìn)行全方位探測，還需要部署立體探測體系。”中國科學(xué)院院士、中國空間技術(shù)研究院研究員楊孟飛提出一個大膽設(shè)想——全方位立體探測太陽。
人類發(fā)射空間探測器探測太陽已有60多年，隨著航天技術(shù)和載荷的發(fā)展，各國的太陽探測已經(jīng)從日地連線為主的探測升級為太陽抵近或雙視角等多種探測方式。通俗點(diǎn)理解，就好比逐步實(shí)現(xiàn)了給太陽“拍”近景和用雙鏡頭“拍”太陽等目標(biāo)，但迄今未實(shí)施對太陽的全方位立體探測。
何為立體？根據(jù)立體探測系統(tǒng)方案，我國將在黃道面和極軌的5個點(diǎn)上分別部署探測器，對太陽實(shí)現(xiàn)“環(huán)抱”觀測。尤其是極區(qū)探測器，需要5年的時間才能飛行到位。這給航天器控制、數(shù)據(jù)傳輸?shù)确矫娑紟順O大的挑戰(zhàn)。
“羲和”探測計劃日地空間探測概念示意圖
根據(jù)設(shè)想，我國將在2035年前后，通過兩次發(fā)射任務(wù)（分別為一箭三星、一箭兩星）構(gòu)建起環(huán)繞黃道面和太陽極區(qū)的全方位立體探測體系，實(shí)現(xiàn)立體探測。在設(shè)想提出前，團(tuán)隊對現(xiàn)有技術(shù)實(shí)力、實(shí)現(xiàn)路徑、具體方案等進(jìn)行了充分論證。
立體探測的每組探測器質(zhì)量大約為3 500千克，有效載荷400～600千克。利用多天體借力技術(shù)、高效推進(jìn)艙和電推進(jìn)技術(shù)等航天技術(shù)，中國有能力實(shí)現(xiàn)探測器的超遠(yuǎn)飛行和準(zhǔn)確入軌。預(yù)計發(fā)射后3年，太陽立體探測系統(tǒng)將具備太陽中低緯度區(qū)域全覆蓋和連續(xù)觀測能力，發(fā)射后5年具備太陽全方位立體探測能力。
“太陽立體探測項目將是融合空間科學(xué)、空間技術(shù)、空間應(yīng)用的系統(tǒng)工程?！睏蠲巷w說。它的建立將促進(jìn)太陽物理科學(xué)研究、空間天氣預(yù)報應(yīng)用和航天技術(shù)等學(xué)科的交叉與融合，解決太陽物理前沿科學(xué)問題，提高太陽活動和空間天氣預(yù)報能力，推動我國太陽空間探測領(lǐng)域?qū)崿F(xiàn)跨越式發(fā)展。
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不過，人們最為關(guān)心的問題總是繞不開太陽對地球造成的影響。盡管太陽與地球平均距離達(dá)1.5億千米，但一旦太陽“發(fā)威”，就會給地球帶來不可估量的后果。
2003年10月31日，太陽爆發(fā)了一次強(qiáng)磁暴，使歐美的一系列科學(xué)衛(wèi)星都遭受了不同程度的損害，導(dǎo)致全球衛(wèi)星通信受到干擾，GPS全球定位系統(tǒng)受到影響，定位精度出現(xiàn)了偏差，致使地面和空間一些需要即時通信和定位的交通系統(tǒng)出現(xiàn)不同程度的癱瘓。
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太陽黑子存在于太陽光球表面，是磁場的聚集之處，借助現(xiàn)代科技，科學(xué)家觀測到太陽黑子的數(shù)量和位置每隔11年就會出現(xiàn)周期性的變化。
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日冕物質(zhì)拋射則是太陽系中規(guī)模最大、對地球的影響最為嚴(yán)重的爆發(fā)現(xiàn)象，一次爆發(fā)能把1億～10億噸物質(zhì)拋射到行星際空間。
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例如，1990年發(fā)射、首次實(shí)現(xiàn)太陽極軌探測的尤利西斯號探測器；2018年發(fā)射、首次對太陽進(jìn)行最近距離抵近探測的帕克太陽探測器；2020年發(fā)射、計劃首次獲取太陽極區(qū)圖像并近距離探測太陽風(fēng)等離子體、高能粒子的太陽軌道飛行器等。
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帕克太陽探測器
我國目前已經(jīng)制定了兩個太陽探測計劃，分別是“羲和”和“夸父”探測計劃，這是太陽探測的中國方案和中國貢獻(xiàn)。羲和是中國上古神話中的太陽女神，是掌管時間和歷法的太陽神，并以太陽母親的形象為人們所認(rèn)知。夸父源自《山海經(jīng)》，夸父追日，最后化身為夸父山的傳說廣為人們所熟知。羲和號實(shí)現(xiàn)了我國太陽探測的破冰之旅，“夸父”探測計劃已納入中國科學(xué)院先導(dǎo)計劃。
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人類發(fā)射空間探測器探測太陽已有60多年，隨著航天技術(shù)和載荷的發(fā)展，各國的太陽探測已經(jīng)從日地連線為主的探測升級為太陽抵近或雙視角等多種探測方式。通俗點(diǎn)理解，就好比逐步實(shí)現(xiàn)了給太陽“拍”近景和用雙鏡頭“拍”太陽等目標(biāo)，但迄今未實(shí)施對太陽的全方位立體探測。
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