“帕克”奔日 探尋太陽(yáng)風(fēng)起何處
2018-08-13 09:59:10 來(lái)源:
科技日?qǐng)?bào) 
NASA
帕克太陽(yáng)探測(cè)器攜帶的部分儀器
除了給予地球光和熱外，太陽(yáng)也以另一種方式影響著我們的地球。一種被稱作“太陽(yáng)風(fēng)”的高速等離子體流時(shí)刻從太陽(yáng)表面涌出，并向太陽(yáng)系的深處奔去。當(dāng)它到達(dá)地球附近時(shí)，會(huì)與地球的磁場(chǎng)發(fā)生作用。強(qiáng)烈的太陽(yáng)風(fēng)暴會(huì)引起地磁場(chǎng)的劇烈變化，對(duì)航天、供電、通訊、航空、導(dǎo)航等一系列領(lǐng)域和技術(shù)系統(tǒng)產(chǎn)生災(zāi)害性的影響。
8月12日，帕克太陽(yáng)探測(cè)器在美國(guó)卡納維拉爾角空軍基地由Delta-4重型火箭發(fā)射升空。這艘探測(cè)器將以前所未有的距離靠近太陽(yáng)，有望對(duì)多個(gè)科學(xué)問(wèn)題的研究起到?jīng)Q定性的推進(jìn)作用。
抵達(dá)日冕加熱的第一現(xiàn)場(chǎng)
太陽(yáng)日冕中，太陽(yáng)大氣的等離子體溫度從六千多攝氏度猛增到了數(shù)百萬(wàn)攝氏度。帕克太陽(yáng)探測(cè)器將深入到在日冕加熱和太陽(yáng)風(fēng)加速真正發(fā)生的地方，通過(guò)觀測(cè)尋找日冕反常高溫的原因。
1958年，太陽(yáng)風(fēng)的發(fā)現(xiàn)者尤金·帕克博士提出，由于日冕底部的高溫，日冕中存在著比較大的壓強(qiáng)梯度力，使太陽(yáng)大氣中的等離子體逃脫了太陽(yáng)引力的束縛，被逐漸加速并最終達(dá)到超音速，形成了太陽(yáng)風(fēng)。這一理論與當(dāng)時(shí)學(xué)者們普遍接受的太陽(yáng)靜止大氣理論相矛盾，因此一開始并沒(méi)有被廣泛接受。然而，當(dāng)人類擁有了航天發(fā)射能力后，蘇聯(lián)的“月球1號(hào)”和美國(guó)的“探測(cè)者10號(hào)”“水手2號(hào)”等探測(cè)器在太空中傳回的實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)，證實(shí)了帕克博士的理論。
太陽(yáng)釋放的能量來(lái)自于太陽(yáng)內(nèi)部的核聚變反應(yīng)。從太陽(yáng)內(nèi)部到我們?nèi)庋劭梢?jiàn)的太陽(yáng)光球，溫度隨著與中心距離的增加而逐漸降低，這也符合我們?nèi)粘Ｉ钪械某ＷR(shí)：距離熱源越遠(yuǎn)，溫度越低。
但在光球以上的色球、過(guò)渡區(qū)和日冕中，反常的現(xiàn)象發(fā)生了。太陽(yáng)大氣中等離子體溫度從六千多攝氏度猛增到了數(shù)百萬(wàn)攝氏度，進(jìn)而具備了可以形成太陽(yáng)風(fēng)的條件。在60年的太陽(yáng)風(fēng)研究過(guò)程中，研究者們?cè)噲D搞清這一反常升溫現(xiàn)象的原因，解釋日冕加熱和太陽(yáng)風(fēng)加速的機(jī)理，將帕克的太陽(yáng)風(fēng)理論進(jìn)一步完善，形成更加自洽的物理圖像。目前，研究者們普遍認(rèn)同，太陽(yáng)對(duì)流層中的動(dòng)能轉(zhuǎn)化為了磁場(chǎng)能，再由磁場(chǎng)傳輸?shù)饺彰嶂校⒃俅无D(zhuǎn)換為等離子體的內(nèi)能和動(dòng)能。
然而，對(duì)于磁場(chǎng)能量轉(zhuǎn)換的具體物理過(guò)程，則仍存在爭(zhēng)議。帕克博士在上世紀(jì)七十年代提出了“微耀斑”理論。在這種理論中，磁場(chǎng)能量通過(guò)一種名叫“磁場(chǎng)重聯(lián)”的物理過(guò)程釋放。所謂磁場(chǎng)重聯(lián)，是指磁力線的連接性發(fā)生變化的一個(gè)過(guò)程。有如鐵路道岔的轉(zhuǎn)換一樣，磁力線的連接情況將在磁場(chǎng)重聯(lián)過(guò)程中發(fā)生轉(zhuǎn)化，重聯(lián)后的總磁場(chǎng)能小于重聯(lián)前的總磁場(chǎng)能，而損失的那部分磁場(chǎng)能則轉(zhuǎn)化為等離子體的動(dòng)能和內(nèi)能。
另外一個(gè)理論流派則認(rèn)為，日冕加熱和太陽(yáng)風(fēng)加速的能量來(lái)自于低頻阿爾芬波的耗散過(guò)程。如果將磁力線視為琴弦，那么阿爾芬波就是琴弦的顫動(dòng)所形成的波動(dòng)。阿爾芬波形成后，一部分遠(yuǎn)離太陽(yáng)傳播，另一部分則被反射回太陽(yáng)表面，進(jìn)而對(duì)太陽(yáng)風(fēng)進(jìn)行加速加熱。
目前，尚沒(méi)有證明這兩種理論哪一種更加接近真實(shí)情況。在帕克太陽(yáng)探測(cè)器之前，上世紀(jì)七十年代發(fā)射的“太陽(yáng)神1號(hào)”和“太陽(yáng)神2號(hào)”探測(cè)器曾經(jīng)獲取到了距離太陽(yáng)中心約0.3天文單位（AU，1天文單位約為1.5億千米）的太陽(yáng)風(fēng)實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)，而目前大部分太陽(yáng)風(fēng)觀測(cè)數(shù)據(jù)都獲取于1AU甚至更遠(yuǎn)的位置。在這些位置，日冕加熱和太陽(yáng)風(fēng)加速過(guò)程已經(jīng)完成，人們看到的是這兩個(gè)過(guò)程的“果”，因而難以探求“因”。
帕克太陽(yáng)探測(cè)器將深入到10個(gè)太陽(yáng)半徑（約0.05AU）以下的日冕中，在日冕加熱和太陽(yáng)風(fēng)加速真正發(fā)生的地方，通過(guò)其搭載的SWEAP儀器（太陽(yáng)風(fēng)電子-質(zhì)子-α粒子探測(cè)器）和FIELD儀器（電磁場(chǎng)探測(cè)儀）獲取等離子體和磁場(chǎng)的實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)。同時(shí)，“帕克”運(yùn)行在太陽(yáng)附近時(shí)，有一段時(shí)間繞日的角速度剛好和太陽(yáng)自轉(zhuǎn)的角速度相同。這使得它幾乎可以觀測(cè)同一位置的太陽(yáng)風(fēng)流隨日心距離而發(fā)生的性質(zhì)變化。這些觀測(cè)都將為科學(xué)家們最終揭開日冕加熱和太陽(yáng)風(fēng)加速之謎提供證據(jù)。
實(shí)測(cè)冕洞是否太陽(yáng)風(fēng)的家園
科學(xué)家們已確認(rèn)速度在450—850公里/秒的快速太陽(yáng)風(fēng)發(fā)源于冕洞之中。但對(duì)于速度在250—450公里/秒的慢速太陽(yáng)風(fēng)來(lái)自何方，目前仍然存在爭(zhēng)議。“帕克”的觀測(cè)將幫助科學(xué)家們弄清太陽(yáng)風(fēng)的起源問(wèn)題。
利用磁場(chǎng)的塞曼效應(yīng)，人們已經(jīng)可以比較準(zhǔn)確地測(cè)量太陽(yáng)光球上的磁場(chǎng)強(qiáng)度和方向。然而由于日冕的密度比光球小，塞曼效應(yīng)較弱，還無(wú)法直接對(duì)日冕的全球磁場(chǎng)進(jìn)行可靠測(cè)量。目前，獲取日冕磁場(chǎng)結(jié)構(gòu)信息的方法有兩種，一種是利用等離子體的凍結(jié)效應(yīng)，通過(guò)等離子體發(fā)出的極紫外輻射特征結(jié)構(gòu)推斷磁場(chǎng)結(jié)構(gòu)。
另一種則引入一定的物理假設(shè)，通過(guò)可知的光球磁場(chǎng)和數(shù)學(xué)計(jì)算，得到日冕的磁場(chǎng)結(jié)構(gòu)。第一種方式能夠使用的高度范圍有限，而第二種方式的物理假設(shè)不一定和實(shí)際情況完全相符，光球磁場(chǎng)的測(cè)量誤差也會(huì)影響計(jì)算的精確性。
由于日冕磁場(chǎng)觀測(cè)手段的限制，人們現(xiàn)在尚沒(méi)有徹底搞清形成太陽(yáng)風(fēng)的物質(zhì)到底是從日冕中的什么位置釋放出來(lái)的。在日冕的極紫外觀測(cè)中，有一些區(qū)域呈現(xiàn)比其他區(qū)域更黑暗的形態(tài)，科學(xué)家們將這些區(qū)域稱為冕洞。冕洞是開放磁力線集中的區(qū)域，這些磁力線一端扎根在太陽(yáng)表面，另一端則延伸到太空之中。通過(guò)美國(guó)第一艘空間站“天空實(shí)驗(yàn)室”上的儀器觀測(cè)，科學(xué)家們已確認(rèn)速度在450—850公里/秒的快速太陽(yáng)風(fēng)就發(fā)源于冕洞之中。
然而對(duì)于速度在250—450公里/秒的慢速太陽(yáng)風(fēng)來(lái)自何方，目前仍然存在爭(zhēng)議。有些學(xué)者認(rèn)為快太陽(yáng)風(fēng)產(chǎn)生于冕洞中心，而慢太陽(yáng)風(fēng)產(chǎn)生于冕洞邊緣，并由此發(fā)展了一套太陽(yáng)風(fēng)速度與磁場(chǎng)結(jié)構(gòu)間的經(jīng)驗(yàn)關(guān)系，目前廣泛應(yīng)用于空間天氣預(yù)報(bào)中。
雖然這種理論的物理背景簡(jiǎn)潔、實(shí)用效果較好，但也存在一定缺陷。觀測(cè)表明，快、慢太陽(yáng)風(fēng)的性質(zhì)差異不只在于速度，其源區(qū)溫度、離子豐度等性質(zhì)都存在不同。慢太陽(yáng)風(fēng)來(lái)源于冕洞邊緣的理論難以解釋快、慢太陽(yáng)風(fēng)的這些性質(zhì)差異。因此，另一些學(xué)者提出慢太陽(yáng)風(fēng)產(chǎn)生于閉合磁力線和開放磁力線的角色轉(zhuǎn)換。在這個(gè)過(guò)程中，兩端都位于太陽(yáng)表面的閉合磁力線和開放磁力線發(fā)生重聯(lián)，使得開放磁力線的端點(diǎn)位置發(fā)生變化。然而，由于缺乏充分的觀測(cè)證據(jù)，學(xué)術(shù)界沒(méi)有完全接受這個(gè)理論。
兩種理論對(duì)磁場(chǎng)變化的特征做出了不同的預(yù)測(cè)，因此帕克太陽(yáng)探測(cè)器對(duì)日冕磁場(chǎng)和等離子體的實(shí)測(cè)將為終結(jié)兩種理論的爭(zhēng)論提供可能。除了進(jìn)行局地測(cè)量的FIELD儀器和SWEAP儀器，帕克太陽(yáng)探測(cè)器上還搭載了用于遙感成像觀測(cè)的WISPR儀器（太陽(yáng)風(fēng)探測(cè)器寬視場(chǎng)成像儀），可以近距離觀測(cè)日冕結(jié)構(gòu)的形態(tài)。成像觀測(cè)和局地觀測(cè)將幫助科學(xué)家們弄清太陽(yáng)風(fēng)的起源問(wèn)題。
穿上“隔熱服”與太陽(yáng)并肩飛行
通過(guò)7次飛掠金星的借力飛行，帕克太陽(yáng)探測(cè)器在7年后會(huì)最終將自己的軌道高度降低到9個(gè)太陽(yáng)半徑以下，在最后的3圈飛行中實(shí)現(xiàn)對(duì)日冕進(jìn)行近距離探測(cè)的目標(biāo)。
帕克太陽(yáng)探測(cè)器上還搭載了一臺(tái)用于探測(cè)高能粒子的ISIS儀器（太陽(yáng)高能粒子集成探測(cè)儀）。太陽(yáng)風(fēng)流中的帶電粒子，其能量一般在1—10keV（千電子伏特）之間。然而在地球附近還探測(cè)到了來(lái)自太陽(yáng)的高能粒子，這些粒子的能量在數(shù)10keV到幾GeV（十億電子伏特）之間，約為前者的數(shù)萬(wàn)倍。這些粒子一旦襲擊地球，不但會(huì)妨礙衛(wèi)星正常運(yùn)行、甚至徹底擊毀衛(wèi)星，還會(huì)對(duì)航天員的健康產(chǎn)生不利影響。ISIS的探測(cè)數(shù)據(jù)將有助于科學(xué)家們更深入的了解太陽(yáng)高能粒子產(chǎn)生和傳播的過(guò)程。
帕克太陽(yáng)探測(cè)器升空后，將進(jìn)入一條環(huán)繞太陽(yáng)的橢圓軌道。一開始，這條軌道的近日點(diǎn)與太陽(yáng)的距離為太陽(yáng)半徑的35倍，遠(yuǎn)日點(diǎn)則在1AU左右。通過(guò)7次飛掠金星的借力飛行，帕克太陽(yáng)風(fēng)探測(cè)器在7年后會(huì)最終將自己的軌道高度降低到9個(gè)太陽(yáng)半徑以下，在最后的3圈飛行中實(shí)現(xiàn)對(duì)日冕進(jìn)行近距離探測(cè)的目標(biāo)。
在每一圈的飛行中，探測(cè)器的科學(xué)探測(cè)主要在與太陽(yáng)的距離小于0.25AU時(shí)進(jìn)行。在距離太陽(yáng)比較近時(shí)，由于太陽(yáng)本身的輻射對(duì)通信的影響，飛船只能下傳飛船工作狀態(tài)的有限信息，獲取的探測(cè)數(shù)據(jù)會(huì)暫存在飛船自身的存儲(chǔ)器中。當(dāng)探測(cè)器與太陽(yáng)的距離大于0.25AU時(shí)，地面將與探測(cè)器恢復(fù)較為通暢的通信。控制人員可以利用這段時(shí)間收集探測(cè)器上存儲(chǔ)的科學(xué)數(shù)據(jù)，對(duì)飛船發(fā)送控制指令。在此過(guò)程中，探測(cè)器只會(huì)在供電條件允許和其他工作空閑的情況下進(jìn)行有限的科學(xué)探測(cè)。在歷次任務(wù)中立下汗馬功勞的“深空探測(cè)網(wǎng)絡(luò)”，將承擔(dān)地面與帕克太陽(yáng)探測(cè)器的通信任務(wù)。
“帕克”在太陽(yáng)附近工作時(shí)，承受的太陽(yáng)輻射是地球附近的500倍。為了使探測(cè)器不被太陽(yáng)“烤熟”，工程師們利用碳復(fù)合材料設(shè)計(jì)了一個(gè)保護(hù)罩。在工作過(guò)程中，這個(gè)厚度僅有11.43厘米的保護(hù)罩朝向太陽(yáng)的一面最高溫度可達(dá)1400攝氏度左右，但在它的保護(hù)下，探測(cè)器的工作環(huán)境溫度僅有29攝氏度。而日冕中的太陽(yáng)風(fēng)的溫度雖然高達(dá)數(shù)百萬(wàn)攝氏度，但由于太陽(yáng)風(fēng)的密度極低，不會(huì)對(duì)探測(cè)器的正常工作造成影響。
帕克太陽(yáng)探測(cè)器依靠太陽(yáng)能電池板為探測(cè)器提供電能。當(dāng)探測(cè)器與太陽(yáng)的距離太近時(shí)，過(guò)強(qiáng)的太陽(yáng)輻射將會(huì)損壞太陽(yáng)能電池板。為了確保安全工作，太陽(yáng)能電池板采用了可調(diào)節(jié)的朝向設(shè)置。在太陽(yáng)輻射較強(qiáng)時(shí)，太陽(yáng)能電池板會(huì)向后收縮，將更多的部分隱藏在保護(hù)罩之后，只露出尖端的一部分。而當(dāng)遠(yuǎn)離太陽(yáng)時(shí)，電池板則又從保護(hù)罩后面探出以提供充足的供電。在太陽(yáng)能電池板上，裝備了由鈦合金支撐的水冷系統(tǒng)，能夠及時(shí)帶走積聚的熱量。即便在最嚴(yán)酷的太陽(yáng)輻射下，水冷系統(tǒng)也能將太陽(yáng)能電池板的溫度保持在150攝氏度左右。（作者李會(huì)超，系哈爾濱工業(yè)大學(xué)深圳校區(qū)博士后）
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