太阳风

北京时间12月5日凌晨2时30分（美国东部时间12月4日13时30分），NASA召开媒体电话会议，宣布帕克太阳探测器首批研究成果，研究成果于12月5日凌晨2时发表在自然杂志。 帕克太阳探测器比以往任何探测器都接近太阳，意味着我们将以前所未有的方式理解太阳高能粒子和太阳风。太阳高能粒子是来自太阳的高能量粒子，对太空中的宇航员和卫星有害，太阳风是来自太阳的超高速等离子体流。以下简述下帕克太阳探测器的5个新发现。 帕克太阳探测器看到的宇宙尘埃（模拟图），在靠近太阳的地方开始变得稀少。 Credits: NASA’s Goddard Space Flight Center/Scott Wiessinger 一，无尘区域，由于尘埃反射太阳光，我们在地球上就能看到它们的存在，所以我们很早就知道太空中充满了尘埃。长期以来科学家们一直猜测在靠近太阳的地方，宇宙尘埃会被强光加热变成气体，从而在太阳周围形成一个无尘区域，但是从没有人观测到过。 帕克太阳探测器传回的图像显示，尘埃在距离太阳约700万英里的地方开始变稀少，并且持续稳定减少到距离太阳约400万英里，这也是当前测量的极限。科学家们估计在距离太阳约200万到300万英里的地方，能看到一个真正的无尘区域，帕克太阳探测器最早可以在2020年探测到该无尘区。 二，地球附近观测到的太阳风是相对均匀的等离子体流。然而在太阳附近观测到了截然不同的情景，太阳风中的等离子体，是带负电的电子和带正电的离子分离，形成了带有单电荷的自由粒子海，所以这些等离子体携带有电场和磁场。帕克太阳探测器携带的FIELDS设备，通过分析其周围电场和磁场随时间的变化，以及测量等离子体波，来测量太阳风的状态。 Credits: NASA’s Goddard Space Flight Center/Conceptual Image Lab/Adriana Manrique Gutierrez [rml_read_more] 帕克太阳探测器观察到从太阳扩散出来的磁力线，以一种令人惊讶的方式运动，在几秒钟内旋转180度，就像是鞭子一样运动，称为磁力线的回旋，这种现象至今仍无法解释，上面的动图可以直观地感受到。 三，科学家们长期以来一直想知道太阳风是持续流动还是喷射产生的，帕克太阳探测器的观测表明太阳风的结构不规则，等离子体流的方向也不固定，一些太阳物质抛射到了太空，一些太阳物质又返回到太阳，这部分的太阳物质也许会扭曲磁场，导致磁力线的回旋。 四，太阳外面的大气层，从里向外分为光球，色球，过渡区，以及日冕。日冕是太阳最外层大气，之后在太阳外层扩散形成太阳风，在地球附近，太阳风几乎呈放射状流动，通过帕克太阳探测器，科学家们观测到了旋转的太阳风。 五，帕克太阳探测器观测到了小规模的太阳高能粒子爆发，以至于在它们到达地球或接近近地卫星时，所有的踪迹都消失了。 Credits: ESA/NASA/SOHO 帕克太阳探测器的测量结果将帮助我们揭开太阳高能粒子的来源，加速以及传播过程，最终应用于更好地保护卫星和宇航员。 来源: NASA 参考: https://www.nasa.gov/feature/goddard/2019/nasas-parker-solar-probe-sheds-new-light-on-the-sun

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

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。 版权：NASA 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）。 版权：NASA/SDO/STEREO/ESA/SOHO/Wiessinger 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