25年的太陽風科學研究

2020-11-22 騰訊網

版權：NASA

在20世紀80年代早期，太陽物理學家想要知道如何保護太空人以及地球周圍的衛星免受狂暴的太陽風造成的潛在破壞性太空天氣的影響，他們需要答案。

為了做到這一點，他們需要更好地了解地球周圍不斷變化的動態空間系統 - 包括測量太陽風的屬性，以及太陽不斷釋放的帶電粒子。響應這一號召的是於25年前的1994年11月1日啟動的「風」任務（Wind mission）。目前，Wind衛星的運行軌道處於第一拉格朗日點L1處，這是太陽和地球之間的引力平衡點，使得太空飛行器可以一直面向太陽。

藝術家繪製的關於25年前，Wind太空飛行器於1994年發射升空的情形。

版權：美國國家航空航天局戈達德太空飛行中心

在過去的25年裡，Wind衛星一直在研究充滿行星間空間的帶電粒子（即等離子體）的加熱氣體。這些觀測使科學家們得以了解太陽風及其與近地環境的相互作用。Wind衛星採集的數據有助於闡明太陽風的特性、強烈的空間天氣和星際空間，同時也對其他太空飛行器繼續近距離研究太陽提供幫助。

到目前為止，Wind衛星的數據已被用於5000多份出版物，對近100個研究生學位的獲得提供了支持。25年來，它一直在穩定地收集數據，並且有足夠的燃料可以在目前的軌道上維持到2074年。Wind衛星的科學成果是驚人的，以下是過去25年來最酷的成果：

1. 太陽射電

在其早期任務中，Wind衛星調到了太陽的無線電頻率。通過監聽，Wind衛星能夠探測到來自太陽的嗡嗡聲，太陽在歌唱。通過追蹤這一頻率的微小變化，科學家可以遠程觀測太陽表面和接近地球的太空天氣。

2. 星際塵埃

在早期的觀測中，科學家們注意到Wind衛星的電場探測器上發生了一些有趣的事情。數據中會時不時地出現一個很大的峰值。最終，科學家們確定了這些峰值的來源：撞擊太空飛行器的超快速塵埃粒子。當這些塵埃顆粒撞擊Wind衛星時產生微小的等離子體爆炸，從而導致儀器上的電場峰值。這些粒子可能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對其進行探測。到目前為止，Wind衛星已經測量了超過10萬個塵埃粒子的撞擊。科學家們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太空的特性。

3. 了解日冕物質拋射

Wind衛星在幫助科學家們了解日冕物質拋射（coronal mass ejections， CMEs）方面起了很大的作用。Wind衛星的設計是被用於測量CMEs經過時的磁場。日冕物質拋射是由太陽物質組成的巨大雲團，從太陽噴發而出，使太陽磁場也隨之發生變化。自20世紀80年代以來，科學家們已經提高了此項能力，能夠基於Wind衛星在CME經過時觀測到的內容，來判斷哪些CMEs會撞上地球，而哪些會錯過地球。這使得如今的空間氣象科學家們能夠製作出更精確的模型，使他們能夠通過觀察CME接近地球時的樣子來確定日冕物質將襲擊的位置。

4. 堅持到最後

25年過去了，Wind衛星任務依舊還未結束。Wind衛星有足夠的燃料來維持其軌道運行及數據獲取，直到2074年，又將是一個55年的科學研究。但它怎麼能在那裡停留這麼久呢？首先，它處於自旋穩定軌道。這意味著它像陀螺一樣自轉，使其得以在軌道上保持穩定。這也意味著Wind衛星不需要使用很多燃料就能保持在其位置上。此外，它也有受到了很好的保護，即高導電性，所以太陽風和其他與之發生相互作用的粒子對太空飛行器而言都是無關緊要的。

5. 高確定性

最重要的是太空飛行器工程，Wind衛星上的儀器被設計成三重冗餘，這意味它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，這也意味著Wind衛星可以用來校準其他太空飛行器上的儀器。Wind衛星將這些數據記錄在兩個磁帶記錄器（很像VHS或盒式磁帶）裡。Wind衛星將數據發回地球，只有在數據被順利接收後，才會重寫數據。

6. 一個完整的太陽活動周期

Wind衛星的壽命使其得以觀察到22年的一個完整的太陽活動周期，在這個周期中，整個太陽磁場的極性翻轉。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衛星長期的高精度觀測使科學家們能夠在一個完整的太陽活動周期內對太陽風進行唯一的單源連續觀測。

7. 磁重聯

在繞行地球磁場的過程中，Wind衛星偶然地飛越了一個正在經歷磁重聯（magnetic reconnection）過程的區域。當磁力線扭曲並最終斷裂時，就會發生磁重聯。在地球附近，高能等離子體粒子束在地磁場的作用下飛向地球的兩極，這些帶電粒子在地球上層大氣中被激發。當Wind衛星測量這個過程時，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，粒子不是像一滴水推動下一滴水產生電流那樣連鎖受碰撞力推動，而是受磁場引導而移動。這與預期不同。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測到的磁重聯比先前基於碰撞重聯所預測的速度要快得多。

8. 等離子體不穩定性

儘管被稱作太陽風，但其行為並非與地球上的風相同。隨著太陽風離太陽越來越遠，其速度就越快，溫度也越高 - 這與我們在地球上所經歷的任何現象都不同。最近，Wind衛星的數據表明，太陽風中發生的一些事情可以解釋這種神秘的屬性 - 離子迴旋波。這有點拗口（英語中稱作ion cyclotron waves），但離子迴旋波只是一種電磁波，其電場以類似于波浪的節奏旋轉，同時也在太陽風中傳播。Wind衛星表明這些離子迴旋波出現在地球附近的太陽風中。像帕克太陽探測器（Parker Solar Probe）這樣的任務有能力來檢測這種波這是否解釋了太陽的日冕加熱問題。

NASA的任務繼續使用法拉第杯（Faraday cups）來研究太陽風，就像於1994年發射的Wind衛星的太陽風實驗（Solar Wind Experiment）中所使用的儀器一樣，如左圖所示。右圖是於2018年發射的帕克太陽探測器上的帕克太陽能杯（Parker Solar Cup）。

版權：左圖：NASA /麻省理工學院（MIT）；右圖：NASA/哈佛-史密森天體物理中心

9. 氦和太陽風

Wind衛星上的儀器發現了關於太陽風的一個有趣特性。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、密度及溫度。在對太陽風進行了為期10年超過250多萬次測量的研究期間，科學家們發現太陽風的速度從未低於每秒161英裡。若再慢一點，太陽風就無法逃脫太陽表面。科學家們發現太陽風速度越快，其中氦的含量就越多，在最低速度下幾乎觀測不到氦的存在。這些發現使科學家們得知，氦在某種程度上幫助確定了太陽風的速度，但他們仍在研究導致這一現象的確切過程。其他飛行距離離太陽更近的任務，如NASA的帕克太陽探測器和預計於2020年2月發射的歐洲航天局（ESA）的太陽軌道飛行器（Solar Orbiter），可能會為此提供額外的線索。

10. 磁通量繩

Wind衛星的高解析度數據為一種被稱為磁通量繩（flux ropes）的太陽現象的頻率提供了新見解。磁通量繩是脫離太陽並與地球磁層相互作用的細磁場束。與較大的CMEs不同，CMEs在太陽活動峰（solar maximum）出現更加頻繁，而這些通量繩更經常出現在太陽活動谷（solar minimum）。科學家們正繼續對其進行研究，以了解它們是如何與地球磁層相互作用。

在過去的25年裡，Wind衛星的觀測為多種太陽現象和等離子體現象提供了新的見解，包括伽馬射線和物理動力學。隨著其對太陽和近地空間的觀測的繼續，Wind衛星將響應觀測等離子體和太陽風的號召，並有可能為未來的研究帶來更多的奧秘。

來源：

https://www.nasa.gov/feature/goddard/2019/25-years-of-science-in-the-solar-wind

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