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      “帕克”奔日 探尋太陽風起何處
      時間:2018-08-13 14:52:16 來源:科技日報

      “帕克”奔日 探尋太陽風起何處

      NASA

      “帕克”奔日 探尋太陽風起何處

      帕克太陽探測器攜帶的部分儀器

      “帕克”奔日 探尋太陽風起何處

      除了給予地球光和熱外,太陽也以另一種方式影響著我們的地球。一種被稱作“太陽風”的高速等離子體流時刻從太陽表面涌出,并向太陽系的深處奔去。當它到達地球附近時,會與地球的磁場發生作用。強烈的太陽風暴會引起地磁場的劇烈變化,對航天、供電、通訊、航空、導航等一系列領域和技術系統產生災害性的影響。

      8月12日,帕克太陽探測器在美國卡納維拉爾角空軍基地由Delta-4重型火箭發射升空。這艘探測器將以前所未有的距離靠近太陽,有望對多個科學問題的研究起到決定性的推進作用。

      抵達日冕加熱的第一現場

      太陽日冕中,太陽大氣的等離子體溫度從六千多攝氏度猛增到了數百萬攝氏度。帕克太陽探測器將深入到在日冕加熱和太陽風加速真正發生的地方,通過觀測尋找日冕反常高溫的原因。

      1958年,太陽風的發現者尤金·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梯度力,使太陽大氣中的等離子體逃脫了太陽引力的束縛,被逐漸加速并最終達到超音速,形成了太陽風。這一理論與當時學者們普遍接受的太陽靜止大氣理論相矛盾,因此一開始并沒有被廣泛接受。然而,當人類擁有了航天發射能力后,蘇聯的“月球1號”和美國的“探測者10號”“水手2號”等探測器在太空中傳回的實測數據,證實了帕克博士的理論。

      太陽釋放的能量來自于太陽內部的核聚變反應。從太陽內部到我們肉眼可見的太陽光球,溫度隨著與中心距離的增加而逐漸降低,這也符合我們日常生活中的常識:距離熱源越遠,溫度越低。

      但在光球以上的色球、過渡區和日冕中,反常的現象發生了。太陽大氣中等離子體溫度從六千多攝氏度猛增到了數百萬攝氏度,進而具備了可以形成太陽風的條件。在60年的太陽風研究過程中,研究者們試圖搞清這一反常升溫現象的原因,解釋日冕加熱和太陽風加速的機理,將帕克的太陽風理論進一步完善,形成更加自洽的物理圖像。目前,研究者們普遍認同,太陽對流層中的動能轉化為了磁場能,再由磁場傳輸到日冕中,并再次轉換為等離子體的內能和動能。

      然而,對于磁場能量轉換的具體物理過程,則仍存在爭議。帕克博士在上世紀七十年代提出了“微耀斑”理論。在這種理論中,磁場能量通過一種名叫“磁場重聯”的物理過程釋放。所謂磁場重聯,是指磁力線的連接性發生變化的一個過程。有如鐵路道岔的轉換一樣,磁力線的連接情況將在磁場重聯過程中發生轉化,重聯后的總磁場能小于重聯前的總磁場能,而損失的那部分磁場能則轉化為等離子體的動能和內能。

      另外一個理論流派則認為,日冕加熱和太陽風加速的能量來自于低頻阿爾芬波的耗散過程。如果將磁力線視為琴弦,那么阿爾芬波就是琴弦的顫動所形成的波動。阿爾芬波形成后,一部分遠離太陽傳播,另一部分則被反射回太陽表面,進而對太陽風進行加速加熱。

      目前,尚沒有證明這兩種理論哪一種更加接近真實情況。在帕克太陽探測器之前,上世紀七十年代發射的“太陽神1號”和“太陽神2號”探測器曾經獲取到了距離太陽中心約0.3天文單位(AU,1天文單位約為1.5億千米)的太陽風實測數據,而目前大部分太陽風觀測數據都獲取于1AU甚至更遠的位置。在這些位置,日冕加熱和太陽風加速過程已經完成,人們看到的是這兩個過程的“果”,因而難以探求“因”。

      帕克太陽探測器將深入到10個太陽半徑(約0.05AU)以下的日冕中,在日冕加熱和太陽風加速真正發生的地方,通過其搭載的SWEAP儀器(太陽風電子-質子-α粒子探測器)和FIELD儀器(電磁場探測儀)獲取等離子體和磁場的實測數據。同時,“帕克”運行在太陽附近時,有一段時間繞日的角速度剛好和太陽自轉的角速度相同。這使得它幾乎可以觀測同一位置的太陽風流隨日心距離而發生的性質變化。這些觀測都將為科學家們最終揭開日冕加熱和太陽風加速之謎提供證據。

      實測冕洞是否太陽風的家園

      科學家們已確認速度在450—850公里/秒的快速太陽風發源于冕洞之中。但對于速度在250—450公里/秒的慢速太陽風來自何方,目前仍然存在爭議。“帕克”的觀測將幫助科學家們弄清太陽風的起源問題。

      利用磁場的塞曼效應,人們已經可以比較準確地測量太陽光球上的磁場強度和方向。然而由于日冕的密度比光球小,塞曼效應較弱,還無法直接對日冕的全球磁場進行可靠測量。目前,獲取日冕磁場結構信息的方法有兩種,一種是利用等離子體的凍結效應,通過等離子體發出的極紫外輻射特征結構推斷磁場結構。

      另一種則引入一定的物理假設,通過可知的光球磁場和數學計算,得到日冕的磁場結構。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不一定和實際情況完全相符,光球磁場的測量誤差也會影響計算的精確性。

      由于日冕磁場觀測手段的限制,人們現在尚沒有徹底搞清形成太陽風的物質到底是從日冕中的什么位置釋放出來的。在日冕的極紫外觀測中,有一些區域呈現比其他區域更黑暗的形態,科學家們將這些區域稱為冕洞。冕洞是開放磁力線集中的區域,這些磁力線一端扎根在太陽表面,另一端則延伸到太空之中。通過美國第一艘空間站“天空實驗室”上的儀器觀測,科學家們已確認速度在450—850公里/秒的快速太陽風就發源于冕洞之中。

      然而對于速度在250—450公里/秒的慢速太陽風來自何方,目前仍然存在爭議。有些學者認為快太陽風產生于冕洞中心,而慢太陽風產生于冕洞邊緣,并由此發展了一套太陽風速度與磁場結構間的經驗關系,目前廣泛應用于空間天氣預報中。

      雖然這種理論的物理背景簡潔、實用效果較好,但也存在一定缺陷。觀測表明,快、慢太陽風的性質差異不只在于速度,其源區溫度、離子豐度等性質都存在不同。慢太陽風來源于冕洞邊緣的理論難以解釋快、慢太陽風的這些性質差異。因此,另一些學者提出慢太陽風產生于閉合磁力線和開放磁力線的角色轉換。在這個過程中,兩端都位于太陽表面的閉合磁力線和開放磁力線發生重聯,使得開放磁力線的端點位置發生變化。然而,由于缺乏充分的觀測證據,學術界沒有完全接受這個理論。

      兩種理論對磁場變化的特征做出了不同的預測,因此帕克太陽探測器對日冕磁場和等離子體的實測將為終結兩種理論的爭論提供可能。除了進行局地測量的FIELD儀器和SWEAP儀器,帕克太陽探測器上還搭載了用于遙感成像觀測的WISPR儀器(太陽風探測器寬視場成像儀),可以近距離觀測日冕結構的形態。成像觀測和局地觀測將幫助科學家們弄清太陽風的起源問題。

      穿上“隔熱服”與太陽并肩飛行

      通過7次飛掠金星的借力飛行,帕克太陽探測器在7年后會最終將自己的軌道高度降低到9個太陽半徑以下,在最后的3圈飛行中實現對日冕進行近距離探測的目標。

      帕克太陽探測器上還搭載了一臺用于探測高能粒子的ISIS儀器(太陽高能粒子集成探測儀)。太陽風流中的帶電粒子,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到了來自太陽的高能粒子,這些粒子的能量在數10keV到幾GeV(十億電子伏特)之間,約為前者的數萬倍。這些粒子一旦襲擊地球,不但會妨礙衛星正常運行、甚至徹底擊毀衛星,還會對航天員的健康產生不利影響。ISIS的探測數據將有助于科學家們更深入的了解太陽高能粒子產生和傳播的過程。

      帕克太陽探測器升空后,將進入一條環繞太陽的橢圓軌道。一開始,這條軌道的近日點與太陽的距離為太陽半徑的35倍,遠日點則在1AU左右。通過7次飛掠金星的借力飛行,帕克太陽風探測器在7年后會最終將自己的軌道高度降低到9個太陽半徑以下,在最后的3圈飛行中實現對日冕進行近距離探測的目標。

      在每一圈的飛行中,探測器的科學探測主要在與太陽的距離小于0.25AU時進行。在距離太陽比較近時,由于太陽本身的輻射對通信的影響,飛船只能下傳飛船工作狀態的有限信息,獲取的探測數據會暫存在飛船自身的存儲器中。當探測器與太陽的距離大于0.25AU時,地面將與探測器恢復較為通暢的通信。控制人員可以利用這段時間收集探測器上存儲的科學數據,對飛船發送控制指令。在此過程中,探測器只會在供電條件允許和其他工作空閑的情況下進行有限的科學探測。在歷次任務中立下汗馬功勞的“深空探測網絡”,將承擔地面與帕克太陽探測器的通信任務。

      “帕克”在太陽附近工作時,承受的太陽輻射是地球附近的500倍。為了使探測器不被太陽“烤熟”,工程師們利用碳復合材料設計了一個保護罩。在工作過程中,這個厚度僅有11.43厘米的保護罩朝向太陽的一面最高溫度可達1400攝氏度左右,但在它的保護下,探測器的工作環境溫度僅有29攝氏度。而日冕中的太陽風的溫度雖然高達數百萬攝氏度,但由于太陽風的密度極低,不會對探測器的正常工作造成影響。

      帕克太陽探測器依靠太陽能電池板為探測器提供電能。當探測器與太陽的距離太近時,過強的太陽輻射將會損壞太陽能電池板。為了確保安全工作,太陽能電池板采用了可調節的朝向設置。在太陽輻射較強時,太陽能電池板會向后收縮,將更多的部分隱藏在保護罩之后,只露出尖端的一部分。而當遠離太陽時,電池板則又從保護罩后面探出以提供充足的供電。在太陽能電池板上,裝備了由鈦合金支撐的水冷系統,能夠及時帶走積聚的熱量。即便在最嚴酷的太陽輻射下,水冷系統也能將太陽能電池板的溫度保持在150攝氏度左右。(作者系哈爾濱工業大學深圳校區博士后)

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