太阳电磁风暴及深空探测

□ 艾国祥 王华宁

高科技时代的基本特征是政治、经济、军事、科技、教育等各方面都需要依靠高技术系统支撑。人类的发展和社会进步已经进入陆、海、空、天和电磁的五维领域。太阳电磁风暴是电磁领域的巨大灾害源，成为高科技时代面临的重大环境和灾害问题。一旦瘫痪了高技术系统，会给国家的经济和社会安全带来巨大灾害。

随着人类社会对高技术系统的依赖程度不断提高，太阳电磁风暴灾害的危害程度也愈来愈强。正因为如此，2010年发布的《美国国家空间政策》中把提高天基地球和太阳观测能力作为六个国策目标之一。该目标明确提出：提高天基地球和太阳观测能力旨在促进科学研究、进行日地空间天气预报、监测全球气候变化、支撑灾害响应和恢复。事实上，自从人类进入太空时代以来，美国NASA从来就没有放松过太阳探测。在所有的空间科学探测项目中，空间太阳探测份额约占18%。

太阳观测与研究现状

据统计，自上世纪50年代末第一颗人造卫星上天，至今短短几十年间，世界主要空间大国共发射和搭载百余颗太阳观测卫星, 开创了太阳物理研究的新时代。近年来，发达国家已把深空太阳观测作为重要的发展方向，成功地获得大量优质的太阳观测资料。由于磁场在太阳活动中所起的重要作用，磁场观测已经成为空间太阳观测的主题。太阳磁场测量技术的复杂性使之成为当代具有挑战性的高技术。

尤利西斯探测器是美国宇航局与欧洲航天局联合研制的一颗太阳极区和行星际环境探测器，以希腊神话中智勇双全的奥德塞的拉丁文名字命名。

1990年10月6日，尤利西斯从美国“发现”号航天飞机舱内推出之后，用它自身的三级火箭加速，从绕地轨道背向太阳而去。经16个月的航行，于1992年2月到达木星，利用木星巨大的引力进入日球层倾斜轨道。总航程为30亿公里，历时5年。

太阳日球天文台是由ESA和NASA合作计划STSP的一个组成部分，于1995年12月2日发射，是一颗定位在拉格朗日点L1上的太阳同步卫星，其上装有12种观测仪器，构成对太阳和日球的全方位探测。现仍在轨运行正常，远大于原先预期的两年寿命。

日地关系天文台是美国宇航局研制的两颗太阳和日地关系探测卫星，于2006年10月25日从美国佛罗里达卡纳维尔角空军基地发射。通过适当的轨道调整，两颗卫星分别位于地球的前方和后方，并对太阳张开较大的角度，对太阳进行立体观测。

太阳探针是美国宇航局执行中的深空太阳探测计划。该计划拟定于2015年5月发射一个太阳探测器经过多次椭圆转移轨道，大约在2021年10月实现最接近太阳探测，离太阳最近的距离大约只有9.5个太阳半径。太阳探测载荷包括成像观测装置和局地采样分析装置。

我国具有国际影响力的太阳磁场望远镜等地基太阳设备，在近二十几年来发挥了重要作用。由此形成了在国际上具有竞争力的研究队伍。1998-2009年国家天文台太阳物理研究论文数量世界排名第一，论文引用世界排名第七。

时至今日，作为空间技术大国，我国尚没有发射过一颗太阳观测专用卫星，在太阳空间探测方面甚至落后于印度。进入21世纪，国际深空太阳探测已经成为热点，而我国太阳成像观测地球卫星和深空太阳探测飞船依然是空白。这种现状将导致我国原本拥有的优势迅速丢失。

SOLAR-B太阳探测器

日本观测到的X3级耀斑

深空太阳探测的优势

太阳电磁风暴是太阳大气中的电磁过程。与电磁过程相关的物理量都属于探测要素：如温度、密度、速度、磁场强度、辐射流量、化学成份等。

由于电磁辐射的特性，在地面乃至地球邻近空间观测太阳都有一定局限性。由于地球大气的干扰，即便是地面可以观测的波段，其效果也比天基观测逊色。

地球卫星观测是人类从地基观测走向太空观测的第一步，带来了太阳观测研究的突破性进展。由于摆脱地球大气和地球自转的影响，地球卫星观测具备了全部电磁波段覆盖、成像质量大幅度提高、单卫星不间断观测等优点。

太阳深空探测是指用行星际飞船对太阳进行探测，是当代太阳空间探测的前沿热点。由于进入广阔的行星际空间，可以利用的手段更多。深空观测除了地球卫星观测的全部优点之外，还具备如下优点：

第一拉格朗日点是理想的深空太阳观测位置，在此观测不受地球遮挡，可连续获得实时数据；可提前0.5-1小时探测太阳风扰动和各种粒子，特别适应太阳风暴探测和预警；不受地球辐射带影响；由于在日地连线的垂直方向运动，大幅度减小多普勒偏离对磁场和光谱测量的影响，大大简化调谱线操作，提高测量精度；卫星处于日地引力平衡位置，容易实现仪器指向稳定；大大减少数据接受地面站数目等。

在第三拉格朗日点可以对太阳背向地球方向进行观测，提前看到太阳背面的活动区, 特别有利于太阳电磁风暴的中短期预报。

如果利用木星引力做跳板把探测器送入对黄道面倾斜的轨道，可以对太阳极区进行观测，有利于太阳电磁风暴的机理探测。在远离地球的深空，可以大范围观测地球空间对太阳风暴的响应。

启示与建议

我们极大期待我国深空探测的技术和能力推进到一个新的阶段，在中国实现太阳、行星探测“零”的突破，以满足太阳物理研究和太阳风暴预报和警报的重大需求，在我国社会和经济安全保障中发挥重要作用。

建议我国首先研发第一拉格朗日点太阳探测卫星，诊断太阳磁场的内禀性质、结构和演化，揭示太阳耀斑和日冕物质抛射中能量存储、积累和释放的物理本质，为太阳风暴预报提供重要的物理依据和方法。随后开展其它深空太阳探测活动，通过设计行星际飞船深空飞行轨道和载荷，实现太阳风暴的时空序列探测，太阳爆发立体监测等。