太阳任务

刘安立 刘声远等

地球人的探测器已经造访过冥王星和太阳系边缘地带。火星车正在红色火星表面游走。然而，我们对太阳的探测却很不够，直到2018年夏季和2019年2月展开的——

当太阳风“吹”到地球时，它可能破坏甚至毁灭地面上和地球轨道中的电子技术装置。美国科学院最近进行的一项研究发现，如果没有提前预警的话，携带太阳风的一次巨型太阳耀斑仅仅对美国就可能造成2万亿美元的损失，而且要想迅速挽回损失是不可能的。该研究发现，巨型太阳耀斑会重创发电站，导致美国东海岸地区停电达一年之久。在太阳风面前，欧洲同样不堪一击。尽管巨大太阳风几百年才会出现一次，小型太阳风却频频出现。大多数小型太阳风暴的破坏力并不大，但依然有明显破坏力。例如，1989年3月，一次小型太阳风暴重创加拿大魁北克省的一座变电站，在紧急抢修期间供电中断超过9小时。2003年，发生于西方万圣节期间的一系列小型太阳风暴，导致美国宇航局超过半数的人造卫星出现各种故障。飞机不得不改道以离开极地上空，目的是避开与强烈激光有关的大量辐射。

因此，对太阳的近距离研究可谓恰逢其时。而对太阳的研究欲望可以回溯到现代太空时代之前的19世纪。1869年8月7日，天文学家聚集在俄罗斯和北美洲，观测一次日全食。在数分钟的黑暗里，科学家们抓紧时间观测难得一见的奇观：鬼魅的日冕——太阳的大气外层。对当时的天文学家来说，日冕是他们梦寐以求的东西。其中两位天文学家——查尔斯·扬和威廉·哈克尼斯使用光谱仪，把日冕光的波长细分。他们知道，不同的化学元素受到外在能量激发时发出的光会在不同波长反映出来。通过测量这些“光谱线”，他们就能确定日冕的化学组成。他们各自独立地发现了一条波长为530.3纳米的绿色光谱线。这在当时引起极大的轰动，因为没有任何已知化学物对应这一波长，所以这两位天文学家以为自己发现了一种新元素。他们把它命名为癚（dàn）。

事实上，扬和哈克尼斯的推测是错误的。但直到20世纪30年代，科学家才明白了其中的原因。天体物理学家沃尔特·格罗特里安和本吉特·艾德伦通过实验室研究发现，铁能够发出那种绿光，但前提是铁被加热到300万℃，从而被转换成一种带电气体——等离子体。但这一认识引出了一个真正的奥秘：是什么机制在把日冕加热到300万℃？这个问题的确是个很大的奥秘：太阳表面温度只有0.6万℃。“帕克号”任务团队项目工程师、美国约翰斯·霍普金斯大学应用物理实验室科学家福克斯说：“（日冕超高温）简直颠覆了物理学和自然规律。日冕温度奇高就好比水往高处流。按理说，越远离热源温度越低。日冕区域到底发生了什么，以至于把日冕物质升温到300万℃以上？这简直令人匪夷所思！”

如果这么大的奥秘都不算是大奥秘，那么还有第二个相关的奥秘。气体脱离太阳之处，正好是温度达到峰值之处。福克斯说：“如果你认为太阳是一颗引力巨星，那么它就该把自己的所有材料把持住。然而，等离子体却能够脱离太阳，飞到各方，包裹所有行星。”这又是为什么？

太阳风主要由氢和氦组成。暴露了日冕超高温之谜的铁，实际上只占太阳风成分的很小一部分。携带着太阳磁场的太阳风，以大约160萬千米/小时的速度向太空喷发粒子流。太阳风包围行星。太阳风在与地球碰撞时，极地天空闪耀惊人的极光。

冰火两重天

天文学家说，太阳风的加速开始于从太阳核起大约10倍于太阳半径处。“帕克号”将要到达的正是这个位置，这里也是具有重要科学意义的地方。

在多次与太阳近距离相遇的过程中，“帕克号”将反复探测上述区域。它之所以能承受那里的极高温，是因为一种创新的热保护系统。这一热盾由两张碟片组成，这两张碟片被一层碳泡沫分隔开。面朝太阳的碳泡沫层为白色，能反光。碳泡沫本身很轻，97%都是空气。这种碳泡沫材料本身就是为“帕克号”研发的，它是让“帕克号”任务得以实现所必需的几项关键技术之一。碳泡沫厚度只有11厘米，在“帕克号”接近太阳的过程中碳泡沫将被加热到大约1377℃。在热保护系统的另一侧，即飞行器所在位置，热保护系统的设计目的是散热，让飞行器的温度降至室温，即大约21℃。

欧空局“太阳轨道器”的热盾采取的是另一种策略，这是由于“太阳轨道器”要忍受温度稍低但持续的加热。“太阳轨道器”面临的最高温大约是520℃，但它不会像“帕克号”那样会前往金星轨道里降温。“太阳轨道器”的热盾不是白色和反光的，而是漆黑的，这意味着该热盾会吸热，并且把热量辐射回太空。“太阳轨道器”的热盾由覆盖一个保护层的钛制成，这个保护层衍生于由燃烧过的动物骨骼制成的一种颜料。这种颜料是一种黑色磷酸钙，它被广泛用于肥料和金属合金生产，还被用于从水中过滤重金属。这个保护层让“太阳轨道器”能在距离太阳60倍于太阳半径处持续运作。虽然这个距离比“帕克号”与太阳之间的最近距离要远一些，但这个相对远距离的选择是有一定理由的：在这样的距离仍然可以用望远镜观测太阳，再近一点就不行了。但“太阳轨道器”上面的望远镜不会直视太阳，而是将观测太阳的旁边，拍摄太阳风呼啸而过的图像。

“太阳轨道器”搭载的望远镜等仪器，将观测太阳表面不同波长的光，以便科学家确定太阳表面气体密度、温度和磁场。“太阳轨道器”还搭载了另一套仪器，它们能测量经过“太阳轨道器”的太阳风的密度、温度和磁场。而“帕克号”的设计目的，是为了让它能飞越太阳大气的一些区域。在这些区域，气体与太阳表面脱离、从而变成太阳风。于是，通过共享“太阳轨道器”和“帕克号”的观测数据，科学家就能把太阳表面发生的不同事件、太阳风开始兴风作浪之地和太阳风下游状况联系起来。这正是参与调查太空天气的科学家们梦寐以求的知识。简言之，“太阳轨道器”将把太阳上发生的事情与太阳风中发生的事情联系起来。

预警很重要

就算只是为了满足我们对太阳的好奇心，也已经有足够理由向太阳发射“帕克号”和“太阳轨道器”。但执行这些任务还有重要的现实意义：保卫地球上的我们。

除了创制艳丽的极光之外，太阳风与地球磁场的相互作用还可能严重损害地球上的重要设施设备。1859年发生的“卡灵顿事件”是有记载的最大一次太阳风暴。当时的极光在全球2/3地区上空均可见，全球电报网络瘫痪，指南针乱转。今天，同等规模的太阳风暴仍有可能严重影响卫星导航、通信服务和供电网络，而现代社会的运转显然离不开这些设备。然而，哪怕是现在最先进的设备——美国宇航局的“先进集成探索者号”飞行器，也只能提前30～60分钟预警即将发生的强太阳风暴。

一旦“帕克号”和“太阳轨道器”完成自己的使命，上述预警时间就可能提前到1～2天。这是因为太阳风暴由太阳耀斑引发，太阳耀斑激发日冕物质突然被喷射进太阳风。这一喷发通常需要一两天时间才能穿越太空，因此，知道太阳风从哪个方向发射，就能让科学家算出任何来袭的太阳风暴的强度，还可能给予我们更多时间来做准备，保护任何重要的电子设备。

福克斯说：“‘帕克号和‘太陽轨道器将提供的探测数据，将大大提高太空天气尤其是太阳风暴预测模型的准确度。几年后，当一场大规模太阳风暴发生时，这些模型将准确告诉我们地球可能遭到怎样的袭击。这两项任务的时间架构极其巧合，对我们来说也极其幸运。两艘探测器能够联袂，让我非常兴奋。这真的是太好太好！”

“帕克号”图解

① 场实验

直接测量太阳风中的电磁场和波，并测量射电辐射的强度波动。

② 太阳集成科学调查

观测高速加速电子、质子和较重粒子，并把它们与太阳风和日冕结构联系起来。

③ 宽视场成像仪

在太阳风、激震和其他等离子体结构接近和经过“帕克号”的过程中，拍摄它们的图像。

④ 热保护系统

是一面厚度为11.43厘米的合成碳盾，它将承受飞行器外部接近1377℃的高温。

⑤ 高增益天线

用于与地球之间的通信。它在“帕克号”接近太阳时向地球传输数据的速率大约为167KB/秒。虽然与现代宽带速度无法相比，但这一传输发生在离地球很远的地方，所以实际上很了不起。

⑥ 太阳能电池板降温系统

它在太阳强度为地球轨道水平475倍的情况下运作。太阳能电池板由一部面积为2平方米的辐射器降温，辐射器把废热排放到太空。

⑦ 太阳能电池板

尽管面积只有1.55平方米，“帕克号”的太阳能电池板在“帕克号”最接近太阳时的发电功率却可达388瓦。

⑧ 太阳风电子和质子调查

计数太阳风中数量最多的粒子，测量它们的速度、密度和温度等特性。