世界最先進(jìn)的太陽觀測(cè)衛(wèi)星升空

□ 諸葛炎

宇宙神5型火箭托舉“太陽動(dòng)力學(xué)觀測(cè)臺(tái)”衛(wèi)星升空

太陽對(duì)地球氣候和空間天氣影響十分巨大，太陽耀斑爆發(fā)時(shí)可將宇宙粒子噴射抵達(dá)地球而中斷衛(wèi)星通信，甚至導(dǎo)致地面供電中斷。最新的研究也表明，地球氣候?yàn)橛钪嫘求w相互作用所致，而太陽對(duì)其影響首當(dāng)其沖，所以監(jiān)控和研究太陽的活動(dòng)性十分重要。

2010年2月9日升空的美國“太陽動(dòng)力學(xué)觀測(cè)臺(tái)”衛(wèi)星尤為引人注目，因?yàn)樗悄壳白钕冗M(jìn)的太陽觀測(cè)衛(wèi)星，它能確保幾乎不間斷地觀察太陽磁場(chǎng)、噴發(fā)的等離子體和眾多其他現(xiàn)象，每天能收集到有關(guān)這些現(xiàn)象遠(yuǎn)比現(xiàn)有衛(wèi)星收集的信息要多，從而能更準(zhǔn)確和更及時(shí)地預(yù)測(cè)空間天氣。

“太陽動(dòng)力學(xué)觀測(cè)臺(tái)”攜帶的三種儀器的安放位置

超級(jí)大腕有絕招

當(dāng)今最“?！钡奶栍^測(cè)衛(wèi)星當(dāng)屬“太陽動(dòng)力學(xué)觀測(cè)臺(tái)”，因?yàn)樗山沂咎柣顒?dòng)每一細(xì)節(jié)：“太陽動(dòng)力學(xué)觀測(cè)臺(tái)”每0.75秒鐘獲得一幅圖像，2006年升空的美國“日地關(guān)系觀測(cè)臺(tái)”每90秒能提供一張圖片，而1995年升空的美國和歐洲聯(lián)合研制的“太陽和日球?qū)佑^測(cè)臺(tái)”每12分鐘才能提供一張圖片；“太陽動(dòng)力學(xué)觀測(cè)臺(tái)”所有圖像均為4096像素×4096像素，成像分辨率好于高清電視10倍；它每天可向地面轉(zhuǎn)送1.5太比特有關(guān)太陽信息的龐大數(shù)據(jù)流，所發(fā)回?cái)?shù)據(jù)為美國航宇局此前任何一顆太陽觀測(cè)衛(wèi)星的50倍，據(jù)相當(dāng)于每天傳送50萬首歌曲，或相當(dāng)于380部完整長度的電影的數(shù)據(jù)量。它將能夠幫助科學(xué)家們理解太陽磁場(chǎng)是如何產(chǎn)生和形成的，以及這個(gè)磁場(chǎng)中的能量是如何隨著太陽風(fēng)和能量粒子被釋放到太空中的，更好地研究太陽變化的原因以及這些變化對(duì)地球的影響。

“太陽動(dòng)力學(xué)觀測(cè)臺(tái)”在軌飛行示意圖

“太陽動(dòng)力學(xué)觀測(cè)臺(tái)”項(xiàng)目耗資8.48億美元，2001年開始啟動(dòng)。其總質(zhì)量為3200千克，其中有效載荷質(zhì)量為270千克，燃料質(zhì)量為1400千克，長6.25米的太陽電池翼可提供1.54千瓦功率，衛(wèi)星工作壽命5年～10年。升空后運(yùn)行在一條帶傾角的地球同步軌道，在這條軌道上衛(wèi)星能持續(xù)地對(duì)向太陽，并同時(shí)保持同一座專用地面站的聯(lián)絡(luò)。

“太陽動(dòng)力學(xué)觀測(cè)臺(tái)”擬實(shí)現(xiàn)七大科學(xué)目標(biāo)：1.何時(shí)會(huì)發(fā)生爆發(fā)性太陽活動(dòng)，怎樣更準(zhǔn)確可靠地預(yù)報(bào)空間天氣；2.暗條噴發(fā)、日冕物質(zhì)拋射和耀斑等產(chǎn)生原因，與哪種磁場(chǎng)構(gòu)型有關(guān)；3.太陽活動(dòng)周期機(jī)理；4.小尺度磁重聯(lián)在日冕加熱和太陽風(fēng)加速方面所起作用；5.活動(dòng)區(qū)磁通量變化規(guī)律；6.太陽極紫外射線譜輻照度變化原因，以及如何與磁活動(dòng)周期聯(lián)系在一起；7.怎樣確定近地太陽風(fēng)結(jié)構(gòu)核動(dòng)力學(xué)特性。

測(cè)試日震與磁暴成像儀

極紫外變化實(shí)驗(yàn)儀器

為此，“太陽動(dòng)力學(xué)觀測(cè)臺(tái)”衛(wèi)星攜帶了3個(gè)主要儀器：由洛馬公司建造的大氣成像組件、由科羅拉多州大學(xué)制造的極紫外變化實(shí)驗(yàn)儀和由斯坦福大學(xué)提供的日震與磁暴成像儀。

大氣成像部件首次采用4個(gè)雙通道、20厘米孔徑正入射望遠(yuǎn)鏡，可首次提供多譜段、近同時(shí)、覆蓋寬的連續(xù)溫度范圍的高分辨率日冕圖像。

為了同時(shí)測(cè)量各個(gè)譜段，極紫外變化實(shí)驗(yàn)儀器采用具有4個(gè)通道陣列探測(cè)器的極紫外射線光柵光譜儀，主要用于測(cè)量源于太陽色球?qū)?、過渡區(qū)和日冕的太陽極紫外射線輻照度。通過該儀器能進(jìn)一步認(rèn)識(shí)太陽極紫外射線對(duì)地球空間環(huán)境及人類的影響；掌握太陽極紫外射線輻照度的特性和變化規(guī)律。

日震與磁暴成像儀由折射望遠(yuǎn)鏡、偏振選擇器、成像穩(wěn)定系統(tǒng)、窄帶看調(diào)諧濾波器和2個(gè)4096像素×4096像素CCD攝像機(jī)組成，是通過測(cè)量選定譜線的多普勒頻移來確定光球?qū)拥恼鹗幩俣?。它用于測(cè)量太陽光球?qū)拥倪\(yùn)動(dòng)，研究太陽的內(nèi)部結(jié)構(gòu)和磁活動(dòng)的各個(gè)分量以及太陽震蕩，測(cè)量譜線的偏振、光球?qū)哟艌?chǎng)的三分量，估計(jì)日冕磁場(chǎng)，從而掌握太陽變化的內(nèi)部源和機(jī)制，了解太陽內(nèi)部的物理過程與表面磁場(chǎng)和表面活動(dòng)相關(guān)的，認(rèn)識(shí)太陽大氣層的變化性。

太陽對(duì)地球的巨大影響

方興未艾前景廣

2010年2月22日，俄羅斯莫斯科物理工程學(xué)院天體物理研究所所長科托夫透露，俄羅斯將研制新一代太陽觀測(cè)衛(wèi)星。2009年年初，俄羅斯曾發(fā)射了“日冕-光子”太陽觀測(cè)衛(wèi)星，它用于探測(cè)太陽內(nèi)部結(jié)構(gòu)及太陽活動(dòng)對(duì)地球氣候、大氣層及生物圈的影響，并計(jì)劃在太空工作3年，但不到1年它就因供電系統(tǒng)故障而提前退役。俄羅斯將在此衛(wèi)星基礎(chǔ)上研制新一代太陽觀測(cè)衛(wèi)星，其技術(shù)性能將更優(yōu)越，電池工作效率將更高，在軌工作壽命也將更長。新衛(wèi)星上將配備紫外線及高能γ射線高靈敏度測(cè)量儀；此外還將安裝特制的發(fā)動(dòng)機(jī)，以便根據(jù)需要調(diào)整衛(wèi)星軌道高度。該衛(wèi)星運(yùn)行在赤道上空600千米處，因?yàn)檫@一軌道不僅可以使衛(wèi)星較好地記錄太陽電磁輻射，而且還可以有效減少地球輻射和太空輻射對(duì)衛(wèi)星及其測(cè)量儀的影響。目前俄科學(xué)家最關(guān)心的問題是提高新衛(wèi)星的工作壽命，因?yàn)闉榱烁玫貓?zhí)行對(duì)日觀測(cè)任務(wù)，衛(wèi)星的工作壽命應(yīng)不少于10年到11年，這也是太陽活動(dòng)的最短周期。俄羅斯新一代太陽觀測(cè)衛(wèi)星初步計(jì)劃將于2014年發(fā)射升空。

今后，國外還將發(fā)射“太陽哨兵”、“太陽軌道器”、“太陽探測(cè)器+”等太陽觀測(cè)衛(wèi)星。

美國“太陽哨兵”的任務(wù)是提供關(guān)于威脅航天員及航天器電子設(shè)備的大劑量太陽輻射的重要數(shù)據(jù)。它是一組航天器，有的也可稱為空間探測(cè)器，因?yàn)槠渲小皟?nèi)部日球?qū)由诒笔窃诮鹦桥c水星軌道內(nèi)發(fā)射4個(gè)相同的探測(cè)器，就近搜取高能太陽粒子樣本；“近地哨兵”是一個(gè)繞地軌道航天器，從大型風(fēng)暴產(chǎn)生處觀測(cè)太陽大氣層；“遠(yuǎn)端哨兵”是一個(gè)觀測(cè)太陽距地遠(yuǎn)一面的航天器。

歐洲“太陽軌道器”項(xiàng)目與美國“太陽哨兵”計(jì)劃契合。通過聯(lián)合雙方力量，太陽軌道器任務(wù)將成為一項(xiàng)強(qiáng)大的協(xié)作任務(wù)?！疤栜壍榔鳌背杀炯s3億歐元，預(yù)計(jì)2015年中期發(fā)射。

美國的“太陽哨兵”星座

2015年5月即將發(fā)射的歐洲“太陽軌道器”將對(duì)太陽進(jìn)行最近距離甚至現(xiàn)場(chǎng)測(cè)量，以前所未有的高分辨率提供太陽圖象

“太陽探測(cè)器+”軌道模擬圖，其中標(biāo)示了“太陽探測(cè)器+”多次近距離太陽飛越的軌跡

美國航宇局計(jì)劃在2015年5月發(fā)射“太陽探測(cè)器+”，對(duì)太陽進(jìn)行為期7年的作業(yè)任務(wù)。之所以取名“太陽探測(cè)器+”，是因?yàn)樵撎綔y(cè)器的設(shè)計(jì)利用了應(yīng)用物理實(shí)驗(yàn)室2005年推出的名為“太陽探測(cè)器”的探測(cè)器設(shè)計(jì)?！疤柼綔y(cè)器+”將穿入日冕內(nèi)部來探個(gè)究竟，即工作在太陽大氣深處，在那里可以采集太陽風(fēng)以及磁場(chǎng)的一手樣本。原位測(cè)量將使科學(xué)家掌握要破解日冕加熱和太陽風(fēng)加速的物理成因需要具備什么知識(shí),知道些什么。

據(jù)悉，中國也擬研制1臺(tái)“空間太陽望遠(yuǎn)鏡”，它工作于光學(xué)和X射線2個(gè)波段，以光學(xué)為主?？茖W(xué)家計(jì)劃將它送到約700千米高的太陽同步圓形軌道，用于觀測(cè)太陽光球、大氣結(jié)構(gòu)等重要參量。其光學(xué)望遠(yuǎn)鏡口徑為1米，并配有專門觀測(cè)X射線的望遠(yuǎn)鏡組，它總重量約為2噸，設(shè)計(jì)使用壽命約為3年～5年。由于擺脫了大氣層的干擾，“空間太陽望遠(yuǎn)鏡”可全天候工作，邊拍照邊向地面?zhèn)鬏敂?shù)據(jù)，因此對(duì)于太陽的任何異?；顒?dòng)，天文學(xué)家都能及時(shí)地獲取信息，從而為日地空間環(huán)境研究，為地球環(huán)境安全提供更多的保障。這架空間太陽望遠(yuǎn)鏡將用于全面觀測(cè)和預(yù)報(bào)太陽磁場(chǎng)的變化以及“太陽風(fēng)暴”等空間天氣情況。

如果建成“空間太陽望遠(yuǎn)鏡”，中國科學(xué)家則可利用它在廣泛的光譜范圍和連續(xù)的時(shí)間演化下，通過高空間和高時(shí)間分辨率對(duì)太陽進(jìn)行探測(cè)，實(shí)現(xiàn)太陽物理研究的重大突破，為空間天氣預(yù)報(bào)提供重要依據(jù)和方法。

中國“空間太陽望遠(yuǎn)鏡”模型