太陽風必須高於259千米每秒，再慢一點，就無法逃脫太陽表面
2020-10-05 科學之美在20世紀80年代早期，太陽物理學家需要答案，他們想要學習如何保護太空人和地球周圍的資產，使其免受動蕩的太陽造成的潛在破壞性太空天氣影響。要做到這一點，需要更好地了解地球周圍不斷變化、動態的空間系統：包括太陽風屬性的測量，以及來自太陽的帶電粒子的不斷翻騰。響應這一號召的是名為「WIND」的任務，它於25年前於1994年11月1日發射升空。目前，WIND在第一個拉格朗日點L1軌道上運行，L1是太陽和地球之間的引力平衡點，這使得太空飛行器可以隨時面對太陽。
在過去的25年中，WIND一直在研究充滿地球之間空間的帶電粒子（等離子體）的加熱氣體。這些觀測使科學家們能夠了解太陽風及其與近地環境的相互作用。WIND數據有助於闡明太陽風的性質，強烈的空間天氣和星際空間，以及幫助其他太空飛行器進行近距離研究太陽。到目前為止，WIND的數據已被5000多種出版物使用。25年來，它一直在穩定地獲取數據，在目前軌道上有足夠的燃料可以持續到2074年。WIND的科學成果是驚人的，以下是過去25年來最酷的一些結果：
1、太陽射電
在Wind任務的早期，WIND調諧到了太陽的無線電頻率。通過傾聽，WIND能夠探測到從太陽傳來的嗡嗡聲，太陽在歌唱。通過跟蹤這個頻率的微小變化，科學家可以遠程觀察太陽表面和接近地球的太空天氣。
2、星際塵埃
在觀察的最初幾年，科學家們注意到WIND的電場探測器發生了一些有趣事情。時不時地，數據中會出現一個很大的峰值。最終，科學家們確定了來源：撞擊太空飛行器的超高速塵埃顆粒。當這些塵埃顆粒撞擊風時，它們會在撞擊時產生微小的等離子體爆炸，從而導致儀器上的電場尖峰。
這些粒子可以來自太陽系內部或外部，但由於太陽風的影響，大多數星際粒子被擋在外面。在太空中沒有很多工具來探測它們。到目前為止，WIND已經測量到超過10萬個塵埃顆粒撞擊。科學家可以利用這些信息來確定這些塵埃的來源，並更好地了解太陽影響之外的空間屬性。
3、確定日冕物質拋射
WIND一直是幫助科學家理解日冕物質拋射(CME)的重要組成部分。WIND的設計是為了測量日冕物質拋射經過時的磁場，日冕物質拋射是太陽物質的巨大雲層，從太陽上爆發出來，拉動太陽磁場。
自20世紀80年代以來，科學家們已經提高了此項能力，以確定哪些CME會撞擊地球，哪些會錯過地球，這是基於WIND在CME經過時觀察到的內容。這使得今天的空間氣象科學家能夠製造出更精確的模型，讓他們能夠通過觀察日冕物質拋射靠近地球時的樣子來確定日冕物質拋射將襲擊哪裡。
4、能長期持續的原因
25年後，WIND任務還沒有完成，WIND有足夠的燃料繼續在軌道上運行並獲取數據直到2074年，另一個55年的科學。但它是怎麼在上面呆了這麼長時間的？首先，它在自旋穩定的軌道上。這意味著它像陀螺一樣自轉，這使它在軌道上保持穩定。這也意味著WIND不需要使用太多的燃料來保持原地不動。它也受到了很好的保護，即高導電性，因此太陽風和其他與之相互作用的粒子對太空飛行器來說是「不受關注」的。
5、高確定性
在太空飛行器工程的頂端，儀器被設計為三重冗餘，這意味著有三個獨立的等離子體密度測量。有了這些冗餘系統，就可以進行高度精確的數據分析，這意味著WIND可以用來校準其他太空飛行器上的儀器。WIND將這些數據記錄在兩個磁帶記錄器上，非常類似於VHS或盒式磁帶。衛星將數據發送回地球，只有收到數據後，WIND才會覆蓋該數據。
6、一個完整的太陽周期
WIND長壽使得它能夠觀察到一個完整的22年太陽周期，在此期間整個太陽磁場反轉極性的循環周期。也就是說，每個磁極從正極切換到負極或反之亦然，然後再次切換回來。WIND的長期、高精度觀測使科學家能夠在一個完整的太陽周期內對太陽風進行唯一的單源連續觀測。
7、磁重聯
在繞過地球磁場的過程中，WIND偶然地飛越了一個區域，這個區域正在經歷一個被稱為磁重聯的過程。當磁力線扭曲並最終斷裂時，就會發生磁重聯。在地球附近，磁場向兩極飛回，帶著高能粒子束的等離子體束乘坐和令人興奮的粒子進入地球上層大氣。當WIND測量這個過程時，科學家們發現了一些有趣的事情：這個過程似乎是無碰撞的。
也就是說，不是被推動（一滴水推動下一個鏈條事件產生電流的方式）粒子移動是因為它們受到磁場的引導。這並不是我們所期望的，粒子傾向於相互反應，但在無碰撞衝擊中，它們基本上忽略了彼此的存在。這一發現有助於解釋為什麼觀察到的磁重聯比以前依賴於碰撞重聯預測的速度要快得多。
8、等離子體的不穩定性
太陽風，儘管有這個名字，但它的行為與地球上的風不同。WIND離它的來源太陽越遠，它就會變得越快越熱，這與我們在地球上經歷的任何現象都不同。WIND的數據表明，太陽風中發生了一些事情，可以解釋這種神秘的性質--離子迴旋波。這是一口，但離子迴旋波只是電磁波，其中的場旋轉的波狀節奏，同時也在太陽風中傳播出去。WIND表明，這些離子迴旋波出現在地球附近的太陽風中。像Parker Solar Probe這樣的任務有能力測試這些波是否解釋了太陽日冕加熱問題。
9、氦與太陽風
WIND上的一個儀器發現了太陽風一個有趣的性質。太陽風實驗使用法拉第杯（一種電荷收集板）來測量太陽風中氫和氦的速度、密度和溫度。
在對太陽風進行了10年超過250萬次測量的研究過程中，科學家們注意到太陽風的速度從未低於每秒161英裡（約259米/km），再慢一點，太陽風就無法逃脫太陽表面。同時還發現，太陽風越快，其中氦的含量就越多，在最低速度下幾乎沒有觀察到任何氦。這告訴科學家，氦以某種方式幫助設定太陽風的速度，但科學家們仍在尋找導致這一現象的確切過程。
10、磁通繩
WIND的高解析度數據為一種名為磁通繩（通量繩）的太陽現象頻率提供了新見解，磁通繩是從太陽上脫落並與地球磁層相互作用的細磁場束。與更大的日冕物質拋射不同，日冕物質拋射在太陽高峰期更頻繁地出現，而這些通量繩在太陽極小期出現得更頻繁。
科學家們正繼續研究它們，以了解它們是如何與地球磁層相互作用。在過去的25年中，WIND的觀測為多種太陽和等離子體現象提供了新見解，包括伽馬射線和動力學物理。隨著它繼續對太陽和近地空間的觀測，WIND將響應等離子體和太陽風觀測的號召，並可能引入更多的謎團來研究未來。
博科園｜研究/來自：美國宇航局戈達德太空飛行中心
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