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「地掩天蝕」——中國科學家的逐日夢想


國家空間科學中心作者:苗娟中國科學院國家空間科學中心 空間環境研究預報室編者按:北京時間年月日,歷時年的研究設計,美國NASA「帕克」太陽探測器開啟了人類歷史上首次「觸摸」太陽的逐日之旅,歷經年飛行後它將進入日冕一探究竟。與此同時,中國的科學家正在為另一種研究...

- 2018年12月06日10時24分
- 【國家空間科學中心】

國家空間科學中心

作者:苗娟

中國科學院國家空間科學中心 空間環境研究預報室

編者按:北京時間2018年8月12日,歷時40年的研究設計,美國NASA「帕克」太陽探測器開啟了人類歷史上首次「觸摸」太陽的逐日之旅,歷經7年飛行後它將進入日冕一探究竟。與此同時,中國的科學家正在為另一種研究日冕的夢想而奮鬥——「地掩天蝕」。

一、日冕

太陽,就像地球內部有分層結構、外部有大氣層一樣,根據物理性質的不同,太陽從內到外也可分成若干層次。我們肉眼看到的發光圓球只不過是太陽的一個圈層——光球。光球以內是太陽內部,從裡到外依次分為核心、輻射層和對流層;光球以外是色球和日冕,它們與光球統稱為太陽大氣。

圖1 太陽的分層結構

我們平常用肉眼看到的非常耀眼的太陽圓面就是太陽的光球。可見光波段的太陽電磁輻射幾乎全部是由光球發射出來的,這也是稱之為「光球」的原因。它有一個非常清晰的邊界,太陽的直徑就是以這個邊界來定義的。

色球是緊挨著光球上面的氣層,它的物質密度比光球更低,溫度反而比光球高。平時,色球被地球大氣分子和塵埃散射的太陽光完全淹沒了,所以人們看不見它。當發生日全食時,月亮遮掩了光球明亮光輝的一瞬間,大氣與塵埃散射的太陽光也同時消失,便可在黑暗的天空背景上看到在月輪邊緣上呈現粉紅色的鋸齒形狀,那就是色球。色球邊緣不像光球那樣清晰整齊,其結構很不均勻,平均厚度大約是2500公里。

日全食時,如果從粉紅色區域的色球再往外面看,還能夠看到一片銀白色的光輝,這就是太陽的最外層大氣——日冕。

圖2 日全食原理圖和日全食照片(2009/7/22)

二、日冕的監測

日冕儀發明思想來源於日全食,是由法國科學家李奧發明的。根據日全食的原理,日冕儀實際就是一架安裝了遮擋盤的太陽望遠鏡。遮擋盤就像一個人工「月球」,擋在望遠鏡和太陽中間,把太陽光遮掉,形成人造日全食。

日冕儀大多採用折射系統,主要有內掩式和外掩式兩種日冕儀。內掩式日冕儀的遮擋盤置於望遠鏡的筒內,外掩式日冕儀的遮擋盤則安裝在主鏡前方。由於日冕光十分微弱,不採取措施的話,日冕就會淹沒在儀器內外的散射光中。因此,消除散射光是日冕儀設計和製造的關鍵問題。

在內掩式日冕儀的光學結構的物鏡焦點處,設置投影直徑等於太陽光球像大小的遮擋盤,將來自光球部分的太陽光反射出鏡筒。外圍光線經過照相透鏡,聚焦在照相底片上,就得到了日冕像。成像光路中物鏡採用單塊薄透鏡,目的是將透鏡材料及玻璃到空氣介面數減少到最低限度,有利於減少材料內部和介面反射引起的散射光。

圖3 內掩式日冕儀光學結構圖

對於外掩式日冕儀,光球部分的光線在未進入鏡筒前就被擋住了,這樣可以有效減小日冕儀內部散射光的大小,使外掩式日冕儀能觀測到光強很弱的外冕,但其缺點是遮擋盤引起的漸暈使其無法觀測到內冕,一般外掩式日冕觀測到的日冕內限約為2個太陽半徑。

通過日冕儀對日冕物質拋射的發現是空間觀測技術發展的一個重要成果。1973年,美國海軍實驗室的軌道太陽觀測台OSO-7衛星首先觀測到一些突如其來的物質拋射使日冕結構發生了突然變化,這種拋射不僅涉及很高的質量和能量,而且發生頻繁。隨後,高山天文台安裝在美國天空實驗室Skylab衛星上的日冕儀於1973年5月至1974年2月期間對日冕物質拋射現象進行了首次常規監測。70年代中期,美國的「太陽風」衛星Solwind

P78-1、太陽峰年衛星SMM、國際日地探測衛星ISEE-3號及太陽神衛星Helios等積累了大量日冕物質拋射現象的觀測資料。90年代以來,陽光衛星Yohkoh和太陽與日球層觀測衛星SOHO上的相關儀器對日冕的成像觀測更是讓天文學家「瞪大了眼睛」,對日冕物質拋射現象充滿了極大的興趣。

圖4 不同形態日冕物質拋射

過去,人們往往把觀測到各種日地空間環境擾動,如行星際激波、太陽質子事件、磁暴、極光和電離層騷擾等,幾乎全部歸因於太陽耀斑。然而,經過近40年對日冕物質拋射及其相關現象的觀測與分析研究,我們越來越認識到日冕物質拋射所造成的日地空間環境擾動並不亞於太陽耀斑。對地球的高能粒子環境和地磁環境造成的擾動,日冕物質拋射似乎是比太陽耀斑更重要的肇事源。

三、「地掩天蝕」—揭秘太陽風起源

在自然條件下,只有出現日全食的時候才能觀測日冕,而日全食很少發生。利用人工設計的儀器——日冕儀進行觀測,又受到日冕儀光學系統中的雜散光等多種影響,日冕觀測能力受限。

「我們借鑑月亮遮擋太陽形成日食的原理,想到地球也能作為遮擋物,可以將望遠鏡放在太陽和地球連線的遠端進行日冕觀測」,這是「地掩天蝕」項目負責人中科院國家中間中心的羅冰顯研究員概括他們的設計理念。

圖5 在太空觀測日食的概念圖

羅冰顯團隊經過詳細計算後發現,最合適的觀測點距離地球約140萬公里,位於日地第二拉格朗日點附近。在這裡,望遠鏡在日地引力和微小的推力作用下,就可與地球以相同的角速度繞太陽公轉,太陽、地球、望遠鏡三者的相對位置保持不變,且地球能恰好完全遮擋太陽,可以獲得長時間、高精度的日冕觀測數據。

圖6 在太空觀測日食的概念圖

2018年6月,羅冰顯與中國科學技術大學申成龍教授、以及中國科學院微小衛星創新研究院的王亞敏博士組成的研究團隊帶著這個被命名為「地掩天蝕」的觀測設想,參加了在深圳舉行的「率先杯」未來技術創新大賽,並位列30個優勝項目之一。

圖7 空間中心「率先杯」決賽隊伍

羅冰顯說,要實施這個計劃還面臨兩大技術挑戰:一是為了獲得儘可能長的觀測時間,探測器需長期保持在地球陰影區,太陽光照缺失,無法採用傳統的太陽能電池陣解決探測器供電問題;二是探測器隨著地球一起繞太陽公轉時,慣性加速度與日地引力存在細微的不平衡,需要額外的推力來進行補償。

目前項目團隊正在進一步論證各種解決方案,比如採用放射性同位素電源解決電力問題,通過軌道優化、高比沖推進器解決引力補償問題等。另一個方案是在合適的太陽光照區域部署太陽帆太空飛行器,與位於陰影區的日冕探測器用繫繩連接,這樣既能為探測器供電,又能利用太陽光對太陽帆產生的壓力平衡引力。羅冰顯說「具體採用什麼方式,還有沒有其他更好的方式,還需要更深入的研究」 。

「對太陽的認識是人類了解宇宙奧秘、揭示生命規律的重要方式。此外,太陽經常會發生爆發活動,這些爆發活動會影響衛星、電網、海底電纜、輸油管道、飛機、定位導航、通訊等人類賴以生存的高技術系統。因此,人類需要具備太陽爆發活動的預警能力,以應對太陽風暴的影響。如果』地掩天蝕』計劃能夠實施,將大幅度提升現有日冕觀測能力,有望幫助解開日冕加熱、太陽風暴的秘密,也能服務於空間環境預報,應對太陽風暴對人類技術系統的影響。」羅冰顯說。

年經的中國科學家們,為你們點讚,加油!!!


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