25年的太阳风科学研究

版权：NASA

在20世纪80年代早期，太阳物理学家想要知道如何保护宇航员以及地球周围的卫星免受狂暴的太阳风造成的潜在破坏性太空天气的影响，他们需要答案。

为了做到这一点，他们需要更好地了解地球周围不断变化的动态空间系统 – 包括测量太阳风的属性，以及太阳不断释放的带电粒子。响应这一号召的是于25年前的1994年11月1日启动的“风”任务（Wind mission）。目前，Wind卫星的运行轨道处于第一拉格朗日点L1处，这是太阳和地球之间的引力平衡点，使得航天器可以一直面向太阳。

艺术家绘制的关于25年前，Wind航天器于1994年发射升空的情形。
版权：美国国家航空航天局戈达德太空飞行中心

在过去的25年里，Wind卫星一直在研究充满行星间空间的带电粒子（即等离子体）的加热气体。这些观测使科学家们得以了解太阳风及其与近地环境的相互作用。Wind卫星采集的数据有助于阐明太阳风的特性、强烈的空间天气和星际空间，同时也对其他航天器继续近距离研究太阳提供帮助。

到目前为止，Wind卫星的数据已被用于5000多份出版物，对近100个研究生学位的获得提供了支持。25年来，它一直在稳定地收集数据，并且有足够的燃料可以在目前的轨道上维持到2074年。Wind卫星的科学成果是惊人的，以下是过去25年来最酷的成果：

1. 太阳射电
在其早期任务中，Wind卫星调到了太阳的无线电频率。通过监听，Wind卫星能够探测到来自太阳的嗡嗡声，太阳在歌唱。通过追踪这一频率的微小变化，科学家可以远程观测太阳表面和接近地球的太空天气。

2. 星际尘埃
在早期的观测中，科学家们注意到Wind卫星的电场探测器上发生了一些有趣的事情。数据中会时不时地出现一个很大的峰值。最终，科学家们确定了这些峰值的来源：撞击航天器的超快速尘埃粒子。当这些尘埃颗粒撞击Wind卫星时产生微小的等离子体爆炸，从而导致仪器上的电场峰值。这些粒子可能来自太阳系内部或外部，但由于太阳风的影响，大多数星际粒子被挡在外面。在太空中没有很多工具来对其进行探测。到目前为止，Wind卫星已经测量了超过10万个尘埃粒子的撞击。科学家们可以利用这些信息来确定这些尘埃的来源，并更好地了解太阳影响之外的太空的特性。

3. 了解日冕物质抛射
Wind卫星在帮助科学家们了解日冕物质抛射（coronal mass ejections， CMEs）方面起了很大的作用。Wind卫星的设计是被用于测量CMEs经过时的磁场。日冕物质抛射是由太阳物质组成的巨大云团，从太阳喷发而出，使太阳磁场也随之发生变化。自20世纪80年代以来，科学家们已经提高了此项能力，能够基于Wind卫星在CME经过时观测到的内容，来判断哪些CMEs会撞上地球，而哪些会错过地球。这使得如今的空间气象科学家们能够制作出更精确的模型，使他们能够通过观察CME接近地球时的样子来确定日冕物质将袭击的位置。

4. 坚持到最后
25年过去了，Wind卫星任务依旧还未结束。Wind卫星有足够的燃料来维持其轨道运行及数据获取，直到2074年，又将是一个55年的科学研究。但它怎么能在那里停留这么久呢？首先，它处于自旋稳定轨道。这意味着它像陀螺一样自转，使其得以在轨道上保持稳定。这也意味着Wind卫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护，即高导电性，所以太阳风和其他与之发生相互作用的粒子对航天器而言都是无关紧要的。

5. 高确定性
最重要的是航天器工程，Wind卫星上的仪器被设计成三重冗余，这意味它有三个独立的等离子体密度测量。有了这些冗余系统，就可以进行高度精确的数据分析，这也意味着Wind卫星可以用来校准其他航天器上的仪器。Wind卫星将这些数据记录在两个磁带记录器（很像VHS或盒式磁带）里。Wind卫星将数据发回地球，只有在数据被顺利接收后，才会重写数据。

6. 一个完整的太阳活动周期
Wind卫星的寿命使其得以观察到22年的一个完整的太阳活动周期，在这个周期中，整个太阳磁场的极性翻转。也就是说，每个磁极从正极切换到负极或反之亦然，然后再次切换回来。Wind卫星长期的高精度观测使科学家们能够在一个完整的太阳活动周期内对太阳风进行唯一的单源连续观测。

7. 磁重联
在绕行地球磁场的过程中，Wind卫星偶然地飞越了一个正在经历磁重联（magnetic reconnection）过程的区域。当磁力线扭曲并最终断裂时，就会发生磁重联。在地球附近，高能等离子体粒子束在地磁场的作用下飞向地球的两极，这些带电粒子在地球上层大气中被激发。当Wind卫星测量这个过程时，科学家们发现了一些有趣的事情：这个过程似乎是无碰撞的。也就是说，粒子不是像一滴水推动下一滴水产生电流那样连锁受碰撞力推动，而是受磁场引导而移动。这与预期不同。粒子倾向于相互反应，但在无碰撞冲击中，它们基本上忽略了彼此的存在。这一发现有助于解释为什么观测到的磁重联比先前基于碰撞重联所预测的速度要快得多。

8. 等离子体不稳定性
尽管被称作太阳风，但其行为并非与地球上的风相同。随着太阳风离太阳越来越远，其速度就越快，温度也越高 – 这与我们在地球上所经历的任何现象都不同。最近，Wind卫星的数据表明，太阳风中发生的一些事情可以解释这种神秘的属性 – 离子回旋波。这有点拗口（英语中称作ion cyclotron waves），但离子回旋波只是一种电磁波，其电场以类似于波浪的节奏旋转，同时也在太阳风中传播。Wind卫星表明这些离子回旋波出现在地球附近的太阳风中。像帕克太阳探测器（Parker Solar Probe）这样的任务有能力来检测这种波这是否解释了太阳的日冕加热问题。

NASA的任务继续使用法拉第杯（Faraday cups）来研究太阳风，就像于1994年发射的Wind卫星的太阳风实验（Solar Wind Experiment）中所使用的仪器一样，如左图所示。右图是于2018年发射的帕克太阳探测器上的帕克太阳能杯（Parker Solar Cup）。
版权：左图：NASA /麻省理工学院（MIT）；右图：NASA/哈佛-史密森天体物理中心

9. 氦和太阳风
Wind卫星上的仪器发现了关于太阳风的一个有趣特性。太阳风实验使用法拉第杯（一种电荷收集板）来测量太阳风中氢和氦的速度、密度及温度。在对太阳风进行了为期10年超过250多万次测量的研究期间，科学家们发现太阳风的速度从未低于每秒161英里。若再慢一点，太阳风就无法逃脱太阳表面。科学家们发现太阳风速度越快，其中氦的含量就越多，在最低速度下几乎观测不到氦的存在。这些发现使科学家们得知，氦在某种程度上帮助确定了太阳风的速度，但他们仍在研究导致这一现象的确切过程。其他飞行距离离太阳更近的任务，如NASA的帕克太阳探测器和预计于2020年2月发射的欧洲航天局（ESA）的太阳轨道飞行器（Solar Orbiter），可能会为此提供额外的线索。

10. 磁通量绳
Wind卫星的高分辨率数据为一种被称为磁通量绳（flux ropes）的太阳现象的频率提供了新见解。磁通量绳是脱离太阳并与地球磁层相互作用的细磁场束。与较大的CMEs不同，CMEs在太阳活动峰（solar maximum）出现更加频繁，而这些通量绳更经常出现在太阳活动谷（solar minimum）。科学家们正继续对其进行研究，以了解它们是如何与地球磁层相互作用。

在过去的25年里，Wind卫星的观测为多种太阳现象和等离子体现象提供了新的见解，包括伽马射线和物理动力学。随着其对太阳和近地空间的观测的继续，Wind卫星将响应观测等离子体和太阳风的号召，并有可能为未来的研究带来更多的奥秘。

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