NASA挑选了两项新任务，研究太阳风和空间天气及其对地球的影响

这幅艺术渲染图描绘了来自太阳的物质和粒子源源不断地流向太阳系之外。在2019年6月20日，NASA挑选出了两个新的任务来研究这种太阳风的起源和对地球的影响，这两个新任务分别是：统一日冕和日光层偏光计（PUNCH）任务，以及串联重联和尖点电动力学勘测卫星（TRACERS）。这两项任务将共同为NASA的宗旨提供支持，保护宇航员和研究技术在太空之中免受这种辐射的负面影响。
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美国航空航天局（NASA）已经挑选出了两项新任务，让我们对太阳及其对太空的动态影响有一个更深层次的理解。其中一个任务将研究太阳是如何驱动粒子和能量进入到太阳系之中的；第二个将研究这些粒子和能量给地球带来的影响。

太阳无时无刻不在产生大量喷涌的太阳粒子，一般以超声速等离子体带电粒子流的形式喷射进入太阳系，被称为太阳风（solar wind）；这些高能粒子会在太空中形成一个动态的辐射系统，称为空间天气（space weather）。当这些粒子抵达地球附近时，它们就会与我们地球的磁场相互作用，这一空间天气系统则可能会对人类的利益产生深远的影响，例如宇航员的安全、无线电通信、GPS信号以及地面上的公用电网。如果我们能了解更多驱动太空天气及其与地球-月球系统相互作用的因素，我们就能在更大程度上减轻它的影响，包括保障宇航员的安全，以及保护与NASA的阿尔忒弥斯月球计划（Acceleration, Reconnection, Turbulence and Electrodynamics of the Moon’s Interaction with the Sun，Artemis）相关的至关重要的技术。

“我们精心挑选了这两个任务，不仅仅是因为它们本身可执行的科学研究级别较高，更是因为这两项任务将与其他太阳物理学航天器良好地协同合作，共同推进NASA的重要使命，即给宇航员、太空技术和存活在地球上的所有生命提控安全保障。”位于华盛顿NASA总部的科学任务理事会（Science Mission Directorate）副主任托马斯•齐布亨（Thomas Zurbuchen）说道，“这些任务将进行大科学（big science）研究，但它们也因装载体积较小而非常特殊，小体积意味着我们可以将它们捆绑发射，让单次的火箭发射价格可以进行更多的研究。”

PUNCH

统一日冕和日球层偏光计（Polarimeter to Unify the Corona and Heliosphere，PUNCH）任务将直接研究太阳的外部大气层、日冕（corona）以及太阳风是如何产生的。PUNCH由四个手提箱大小的卫星组成，可以在太阳风离开太阳时对其进行成像和跟踪。该航天任务还将追踪日冕物质抛射（coronal mass ejection，CME），让我们更好地了解它们的演化，并开发出预测此类物质爆发的新技术。CME是一种大规模的太阳物质喷发，可以驱动地球附近的大型空间天气事件。

在NASA三个观测站的共同努力下，科学家在2012年7月跟踪到了大规模日冕物质抛射（CME）。
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这些观测将加强NASA其他任务中的国家性质和国际性质研究，如帕克太阳探测器（Parker Solar Probe），以及即将于2020年发射的欧洲空间局（European Space Agency，ESA）/ NASA太阳轨道飞行器（Solar Orbiter）。通过阻挡来自太阳的明亮光线、检测极为微弱的大气环境，这些任务将会触及太阳大气中的相关结构，而PUNCH将能够对这些结构进行实时成像。

我们的生活所依赖的这颗恒星，究竟是如何驱动辐射涌进太空的呢？上述的这些任务将共同探讨这个问题。PUNCH任务由科罗拉多州博尔德市西南研究所（Southwest Research institute）的克雷格•迪弗利斯（Craig DeForest）主导进行；包括发射成本在内，PUNCH的任务资金不超过1.65亿美元。

TRACERS

另一项任务是串联重联和尖点电动力学勘测卫星（Tandem Reconnection and Cusp Electrodynamics Reconnaissance Satellites，TRACERS）。TRACERS调查被部分选为由NASA发射的搭乘任务（rideshare mission），这意味着它将作为PUNCH的二级有效载荷来发射。NASA的科学任务理事会正在强调二级有效载荷任务的重要意义，以便用较低的发射成本获取更大的科学研究回报。TRACERS将观测地球北部磁层极尖区（magnetic cusp region）的粒子和磁场，磁层极尖区指的是环绕地球极点的区域，我们星球上的磁场线在该区域会弯向地球。在这里，磁场线会将粒子由地球磁场和行星际空间（interplanetary space）之间的边界向下引导到地球大气中。

在磁层极尖区，TRACERS可以轻松抵达我们与行星际空间的边界，研究地球周围的磁场与太阳的磁场是如何相互作用的。在一种被称为磁重联（magnetic reconnection）的过程中，磁场线会爆炸性地重新配置，以接近光速的速度向星球之外发射粒子。这些粒子中的其中一部分将会受到地球重力的作用，进入到能被TRACERS观测到的区域。

这段可视化视频显示了磁重联区域的倾斜视图。青色的线条表示磁场方向；颜色轨迹表示在场中移动的电子；粒子轨迹的颜色表示粒子的无量纲速度，蓝色表示慢速，红色表示快速。
版权：NASA

磁重联驱动着整个宇宙活跃的事件，包括太阳上的日冕物质抛射和太阳耀斑（solar flare）。磁重联还会导致来自太阳风的粒子进入近地空间，从而驱动近地空间产生空间天气。TRACERS将是第一个利用两个航天器在磁层极尖区探索这一过程的太空探索任务，观测磁重联在空间和时间上的变化；在磁层极尖区这一有利位置上，TRACERS还能够同时观察整个近地空间的磁重联。因此，TRACERS可以为NASA的磁层多尺度任务（Magnetospheric Multiscale mission，MMS）提供重要的背景资料。磁层多尺度任务是由4个相同航天器组成的探测系统，分析研究磁重联现象，并对磁层边界区域进行三维测量，在单次磁重联事件中收集详细的高速观测资料，旨在验证当前主流理论：磁场是如何重新连接的，以及连接的过程是怎样的。

TRACERS独特的测量将有助于NASA保护我们在太空中的技术和宇航员安全，该任务由爱荷华州爱荷华大学（University of Iowa）的克雷格•克莱辛（Craig Kletzing）主导执行。不包括“搭乘”费用，TRACERS的任务资金不超过1.15亿美元。

这两个任务的发布日期将不晚于2022年8月，两个项目都将由NASA位于马里兰州格林贝尔特市戈达德航天飞行中心（Goddard Space Flight Center）的探索者项目办公室（Explorers Program Office）管理。探索者计划（Explorers Program）是NASA历史最为悠久的持续性计划，旨在为NASA科学任务理事会天体物理学和太阳物理学相关主要研究者主导的空间科学研究，提供高频次、低成本的太空访问。该计划由戈达德航天飞行中心为科学任务理事会管理，科学任务理事会为地球研究、空间天气、太阳系和宇宙进行各种研究和科学探索计划。

参考：
[1]https://www.nasa.gov/press-release/nasa-selects-missions-to-study-our-sun-its-effects-on-space-weather
[2]https://svs.gsfc.nasa.gov/11558
[3]https://svs.gsfc.nasa.gov/4568