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2022-09-07 06:27:18秋慈
科學之友 2022年9期 關鍵詞：人類
逐日追風，人類自古有之。
身處太陽系之中，人類無法不對太陽系的中心——給地球帶來光明與能量的太陽產(chǎn)生好奇和探究欲。
認識與人類關系最密切的恒星太陽“發(fā)威”后果很嚴重
大約46億年前，在距離銀河系中心約2.6萬光年之處的螺旋臂上，一團分子云開始在自身的引力作用下坍縮，并逐漸形成了今天我們所熟悉的太陽。
太陽直徑約139萬千米，質量是地球的33萬倍。從古至今，太陽引發(fā)了人類太多的思考，我們對這顆耀眼的恒星充滿了好奇。
不過，人們最為關心的問題總是繞不開太陽對地球造成的影響。盡管太陽與地球平均距離達1.5億千米，但一旦太陽“發(fā)威”，就會給地球帶來不可估量的后果。
2003年10月31日，太陽爆發(fā)了一次強磁暴，使歐美的一系列科學衛(wèi)星都遭受了不同程度的損害，導致全球衛(wèi)星通信受到干擾，GPS全球定位系統(tǒng)受到影響，定位精度出現(xiàn)了偏差，致使地面和空間一些需要即時通信和定位的交通系統(tǒng)出現(xiàn)不同程度的癱瘓。
究其原因，就是太陽發(fā)射出大量帶電高能粒子，對地球電磁環(huán)境造成嚴重破壞，其中尤以太陽黑子、耀斑和日冕物質拋射對地球電磁環(huán)境影響最為顯著。
太陽黑子存在于太陽光球表面，是磁場的聚集之處，借助現(xiàn)代科技，科學家觀測到太陽黑子的數(shù)量和位置每隔11年就會出現(xiàn)周期性的變化。
太陽耀斑則是一種強烈的輻射爆炸，是太陽系中最激烈的局地爆炸事件，它所輻射出的光的波長橫跨整個電磁波譜。一個中等強度的耀斑，可發(fā)射出從伽馬射線到無線電波段的強大輻射，總能量相當于10億～100億個原子彈爆炸。
日冕物質拋射則是太陽系中規(guī)模最大、對地球的影響最為嚴重的爆發(fā)現(xiàn)象，一次爆發(fā)能把1億～10億噸物質拋射到行星際空間。
太陽的爆發(fā)性活動不會像地震、暴雨那樣給人類帶來直接的、巨大的災難，但由于人類進入太空時代已經(jīng)半個多世紀，對各種衛(wèi)星以及導航、通信等高科技系統(tǒng)的依賴性越來越強，而衛(wèi)星與高科技系統(tǒng)恰恰會受到太陽活動的直接影響。一旦太陽“發(fā)威”，會嚴重影響航天、導航、定位、通信等高科技系統(tǒng)。因此，對太陽的觀測研究具有重要科學意義和實際應用價值。
據(jù)計算，太陽一旦發(fā)生日冕物質拋射等爆發(fā)活動，科學家可以在它影響地球前40個小時以內(nèi)得到信息，從而及時做出防護，避免可能的破壞。
觀測手段不斷進步從肉眼到望遠鏡再到空間探測器
人類對太陽的觀測由來已久，廣義的觀測最早可追溯到上古時代。我國早在漢成帝河平元年（公元前28年）就有了肉眼觀測太陽黑子的記錄。
對太陽進行系統(tǒng)觀測則始于1610年，即伽利略發(fā)明天文望遠鏡后的第二年，人類開始用望遠鏡觀測和記錄太陽黑子，開啟了科學觀測太陽的時代。
經(jīng)過400多年的發(fā)展，尤其自20世紀50年代末進入太空時代以來，通過地基太陽望遠鏡和天基太陽探測器的聯(lián)合觀測，人類對太陽有了全新認識。
太陽的內(nèi)部結構可分為核心區(qū)、輻射層和對流層，太陽的大氣層次可分為光球層、色球層、過渡區(qū)和日冕層。我們也在一定程度上理解了太陽活動的周期性、產(chǎn)生太陽磁場的發(fā)電機理論、太陽磁場和太陽爆發(fā)的內(nèi)在聯(lián)系等。
從世界范圍來看，自20世紀60年代以來，隨著航天技術的快速發(fā)展，全世界已發(fā)射了70多顆太陽觀測衛(wèi)星，主要集中在美國、俄羅斯、日本等國，聚焦于太陽黑子、耀斑和日冕物質拋射的觀測研究。
例如，1990年發(fā)射、首次實現(xiàn)太陽極軌探測的尤利西斯號探測器；2018年發(fā)射、首次對太陽進行最近距離抵近探測的帕克太陽探測器；2020年發(fā)射、計劃首次獲取太陽極區(qū)圖像并近距離探測太陽風等離子體、高能粒子的太陽軌道飛行器等。
隨著科學技術的發(fā)展，太陽觀測衛(wèi)星的水平越來越高，而且越來越靠近太陽。例如，帕克太陽探測器到太陽表面最近距離只有太陽半徑的8.86倍，比水星到太陽的距離還要近。
國際上太陽探測如火如荼，中國的太陽探測計劃當然也不能落后?！笆濉逼陂g，國家航天局就組織中國航天科技集團、南京大學、中國科學院等單位研究制定了空間科學研究發(fā)展路線圖，并且緊鑼密鼓地開始實施。
帕克太陽探測器
我國目前已經(jīng)制定了兩個太陽探測計劃，分別是“羲和”和“夸父”探測計劃，這是太陽探測的中國方案和中國貢獻。羲和是中國上古神話中的太陽女神，是掌管時間和歷法的太陽神，并以太陽母親的形象為人們所認知?？涓冈醋浴渡胶＝?jīng)》，夸父追日，最后化身為夸父山的傳說廣為人們所熟知。羲和號實現(xiàn)了我國太陽探測的破冰之旅，“夸父”探測計劃已納入中國科學院先導計劃。
此外，我國正在論證后續(xù)太陽探測發(fā)展計劃，科學家們希望按照在黃道面（地球繞太陽公轉的軌道平面）內(nèi)多視角探測、大傾角太陽極區(qū)探測和太陽抵近觀測“三步走”實施，進一步了解太陽的構造，確定太陽活動的三維結構，掌握其機理和活動規(guī)律，從而造福人類，趨利避害。
全方位立體探測太陽中國科研團隊提出大膽設想
“如果想對太陽進行全方位探測，還需要部署立體探測體系。”中國科學院院士、中國空間技術研究院研究員楊孟飛提出一個大膽設想——全方位立體探測太陽。
人類發(fā)射空間探測器探測太陽已有60多年，隨著航天技術和載荷的發(fā)展，各國的太陽探測已經(jīng)從日地連線為主的探測升級為太陽抵近或雙視角等多種探測方式。通俗點理解，就好比逐步實現(xiàn)了給太陽“拍”近景和用雙鏡頭“拍”太陽等目標，但迄今未實施對太陽的全方位立體探測。
何為立體？根據(jù)立體探測系統(tǒng)方案，我國將在黃道面和極軌的5個點上分別部署探測器，對太陽實現(xiàn)“環(huán)抱”觀測。尤其是極區(qū)探測器，需要5年的時間才能飛行到位。這給航天器控制、數(shù)據(jù)傳輸?shù)确矫娑紟順O大的挑戰(zhàn)。
“羲和”探測計劃日地空間探測概念示意圖
根據(jù)設想，我國將在2035年前后，通過兩次發(fā)射任務（分別為一箭三星、一箭兩星）構建起環(huán)繞黃道面和太陽極區(qū)的全方位立體探測體系，實現(xiàn)立體探測。在設想提出前，團隊對現(xiàn)有技術實力、實現(xiàn)路徑、具體方案等進行了充分論證。
立體探測的每組探測器質量大約為3 500千克，有效載荷400～600千克。利用多天體借力技術、高效推進艙和電推進技術等航天技術，中國有能力實現(xiàn)探測器的超遠飛行和準確入軌。預計發(fā)射后3年，太陽立體探測系統(tǒng)將具備太陽中低緯度區(qū)域全覆蓋和連續(xù)觀測能力，發(fā)射后5年具備太陽全方位立體探測能力。
“太陽立體探測項目將是融合空間科學、空間技術、空間應用的系統(tǒng)工程?！睏蠲巷w說。它的建立將促進太陽物理科學研究、空間天氣預報應用和航天技術等學科的交叉與融合，解決太陽物理前沿科學問題，提高太陽活動和空間天氣預報能力，推動我國太陽空間探測領域實現(xiàn)跨越式發(fā)展。
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大約46億年前，在距離銀河系中心約2.6萬光年之處的螺旋臂上，一團分子云開始在自身的引力作用下坍縮，并逐漸形成了今天我們所熟悉的太陽。
太陽直徑約139萬千米，質量是地球的33萬倍。從古至今，太陽引發(fā)了人類太多的思考，我們對這顆耀眼的恒星充滿了好奇。
不過，人們最為關心的問題總是繞不開太陽對地球造成的影響。盡管太陽與地球平均距離達1.5億千米，但一旦太陽“發(fā)威”，就會給地球帶來不可估量的后果。
2003年10月31日，太陽爆發(fā)了一次強磁暴，使歐美的一系列科學衛(wèi)星都遭受了不同程度的損害，導致全球衛(wèi)星通信受到干擾，GPS全球定位系統(tǒng)受到影響，定位精度出現(xiàn)了偏差，致使地面和空間一些需要即時通信和定位的交通系統(tǒng)出現(xiàn)不同程度的癱瘓。
究其原因，就是太陽發(fā)射出大量帶電高能粒子，對地球電磁環(huán)境造成嚴重破壞，其中尤以太陽黑子、耀斑和日冕物質拋射對地球電磁環(huán)境影響最為顯著。
太陽黑子存在于太陽光球表面，是磁場的聚集之處，借助現(xiàn)代科技，科學家觀測到太陽黑子的數(shù)量和位置每隔11年就會出現(xiàn)周期性的變化。
太陽耀斑則是一種強烈的輻射爆炸，是太陽系中最激烈的局地爆炸事件，它所輻射出的光的波長橫跨整個電磁波譜。一個中等強度的耀斑，可發(fā)射出從伽馬射線到無線電波段的強大輻射，總能量相當于10億～100億個原子彈爆炸。
日冕物質拋射則是太陽系中規(guī)模最大、對地球的影響最為嚴重的爆發(fā)現(xiàn)象，一次爆發(fā)能把1億～10億噸物質拋射到行星際空間。
太陽的爆發(fā)性活動不會像地震、暴雨那樣給人類帶來直接的、巨大的災難，但由于人類進入太空時代已經(jīng)半個多世紀，對各種衛(wèi)星以及導航、通信等高科技系統(tǒng)的依賴性越來越強，而衛(wèi)星與高科技系統(tǒng)恰恰會受到太陽活動的直接影響。一旦太陽“發(fā)威”，會嚴重影響航天、導航、定位、通信等高科技系統(tǒng)。因此，對太陽的觀測研究具有重要科學意義和實際應用價值。
據(jù)計算，太陽一旦發(fā)生日冕物質拋射等爆發(fā)活動，科學家可以在它影響地球前40個小時以內(nèi)得到信息，從而及時做出防護，避免可能的破壞。
觀測手段不斷進步從肉眼到望遠鏡再到空間探測器
人類對太陽的觀測由來已久，廣義的觀測最早可追溯到上古時代。我國早在漢成帝河平元年（公元前28年）就有了肉眼觀測太陽黑子的記錄。
對太陽進行系統(tǒng)觀測則始于1610年，即伽利略發(fā)明天文望遠鏡后的第二年，人類開始用望遠鏡觀測和記錄太陽黑子，開啟了科學觀測太陽的時代。
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太陽的內(nèi)部結構可分為核心區(qū)、輻射層和對流層，太陽的大氣層次可分為光球層、色球層、過渡區(qū)和日冕層。我們也在一定程度上理解了太陽活動的周期性、產(chǎn)生太陽磁場的發(fā)電機理論、太陽磁場和太陽爆發(fā)的內(nèi)在聯(lián)系等。
從世界范圍來看，自20世紀60年代以來，隨著航天技術的快速發(fā)展，全世界已發(fā)射了70多顆太陽觀測衛(wèi)星，主要集中在美國、俄羅斯、日本等國，聚焦于太陽黑子、耀斑和日冕物質拋射的觀測研究。
例如，1990年發(fā)射、首次實現(xiàn)太陽極軌探測的尤利西斯號探測器；2018年發(fā)射、首次對太陽進行最近距離抵近探測的帕克太陽探測器；2020年發(fā)射、計劃首次獲取太陽極區(qū)圖像并近距離探測太陽風等離子體、高能粒子的太陽軌道飛行器等。
隨著科學技術的發(fā)展，太陽觀測衛(wèi)星的水平越來越高，而且越來越靠近太陽。例如，帕克太陽探測器到太陽表面最近距離只有太陽半徑的8.86倍，比水星到太陽的距離還要近。
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此外，我國正在論證后續(xù)太陽探測發(fā)展計劃，科學家們希望按照在黃道面（地球繞太陽公轉的軌道平面）內(nèi)多視角探測、大傾角太陽極區(qū)探測和太陽抵近觀測“三步走”實施，進一步了解太陽的構造，確定太陽活動的三維結構，掌握其機理和活動規(guī)律，從而造福人類，趨利避害。
全方位立體探測太陽中國科研團隊提出大膽設想
“如果想對太陽進行全方位探測，還需要部署立體探測體系。”中國科學院院士、中國空間技術研究院研究員楊孟飛提出一個大膽設想——全方位立體探測太陽。
人類發(fā)射空間探測器探測太陽已有60多年，隨著航天技術和載荷的發(fā)展，各國的太陽探測已經(jīng)從日地連線為主的探測升級為太陽抵近或雙視角等多種探測方式。通俗點理解，就好比逐步實現(xiàn)了給太陽“拍”近景和用雙鏡頭“拍”太陽等目標，但迄今未實施對太陽的全方位立體探測。
何為立體？根據(jù)立體探測系統(tǒng)方案，我國將在黃道面和極軌的5個點上分別部署探測器，對太陽實現(xiàn)“環(huán)抱”觀測。尤其是極區(qū)探測器，需要5年的時間才能飛行到位。這給航天器控制、數(shù)據(jù)傳輸?shù)确矫娑紟順O大的挑戰(zhàn)。
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立體探測的每組探測器質量大約為3 500千克，有效載荷400～600千克。利用多天體借力技術、高效推進艙和電推進技術等航天技術，中國有能力實現(xiàn)探測器的超遠飛行和準確入軌。預計發(fā)射后3年，太陽立體探測系統(tǒng)將具備太陽中低緯度區(qū)域全覆蓋和連續(xù)觀測能力，發(fā)射后5年具備太陽全方位立體探測能力。
“太陽立體探測項目將是融合空間科學、空間技術、空間應用的系統(tǒng)工程?！睏蠲巷w說。它的建立將促進太陽物理科學研究、空間天氣預報應用和航天技術等學科的交叉與融合，解決太陽物理前沿科學問題，提高太陽活動和空間天氣預報能力，推動我國太陽空間探測領域實現(xiàn)跨越式發(fā)展。
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