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飞向太阳的“勇士”——Parker Solar Probe卫星

    太阳系行星际空间并不是空无一物,而是充满了超音速的等离子体,观测表明这些等离子体主要起源于太阳,由太阳向外以很高的速度流动,称为太阳风。太阳磁场被这些向外流动的等离子体携带到行星际空间,形成行星际磁场。这些流体合起来组成了行星际介质。无论太阳是平静还是“生气”爆发耀斑、日冕物质抛射(CME)等现象,太阳风是一直向外吹的,行星际介质是一直存在的。背景太阳风主要由冕流低速太阳风和冕洞发出的高速太阳风组成,而以CME为代表的太阳爆发活动进入行星际空间后,会给背景太阳风带来扰动,形成扰动太阳风。

    人类探索宇宙深处的脚步留下了不同位置的太阳风的观测。1959年,苏联LUNIK卫星首次进入行星际空间。1962年,美国宇航局(NASA)的金星探测器Mariner II探测到持续的太阳粒子流。不久之后一系列的实验实现了对太阳大气流经地球的详细测量,尽管有些不是持续的测量。在五次阿波罗(Apollo)登月计划中,宇航员在太阳风中将金属箔片展开并带回实验室进行研究。当前对太阳风的观测中,HeliosVoyager飞船分别是离太阳最近和最远的卫星:1974年发射的Helios-1卫星,轨道最近距离太阳0.31个天文单位(AU),1976年发射的Helios-2卫星,轨道最近距离太阳0.29个天文单位;而Voyager-1201710月已经距离太阳140AU,仍在前往更远的地方。探索火星和金星的卫星PVOMessenger也提供了多个日心距上的太阳风观测。

    在与地球息息相关的日地连线上,有数颗卫星位于地球前方1500万千米的L1点,提供对太阳风持续不断的观测,比如上世纪九十年代发射的ACE卫星、Wind卫星、SOHO卫星和2015年发射的DSCOVR卫星。OMNI数据库就利用多颗卫星观测,能提供超过五个太阳活动周的1AU处太阳风观测数据,供科学研究和应用。还有一些卫星的观测可以探索日球层的三维结构,比如从黄道面以外、甚至太阳高纬度区域进行观测的Ulysses飞船,以及分别位于黄道面上地球轨道的前方和后方的STEREO-ASTEREO-B卫星。

1    Ulysses飞船探测的不同年份的太阳风环境(From McComas et al. (2008).)

图中红色和蓝色曲线表明磁场方向

        多个空间探测器的观测表明,太阳风在不同方向的速度和磁场分布并不是均匀的。有的太阳风速度比较快,有的则比较慢,不同快慢的太阳风究竟来自何方,是否太阳上的不同区域产生了不同类型的太阳风?太阳磁场在这里扮演了什么角色?太阳风的速度为何这么快,它里面的那些粒子是如何从亚音速被加速到超音速的,具体的物理机制是什么样的?太阳时时刻刻都在向外吹着太阳风,然而太阳风的起源和演化仍有很多未解之谜。

        2018年,将有颗备受科学界瞩目的卫星即将发射,进一步去观测太阳和太阳风。它就是美国宇航局(NASA)的Parker solar probePSP)卫星,它是以太阳风科学的先驱Parker命名的,Parker1958年就预言了太阳风的存在并提出了相关理论,后来的观测也证实了他的推断。这是NASA第一次以健在人物命名航天器,可见Parker的伟大。PSP卫星将于2018年发射,在发射93天后,预计就将到达距离太阳0.16AU,即35.7个太阳半径处;借助金星的引力在88-168天内到达距离太阳0.0459AU,即9.86个太阳半径,这是人类靠近太阳最近的时候;预计在2018-2025年期间,将在0.25AU范围内绕行太阳24圈。为了承受高达1400摄氏度的炽热和辐射,PSP将带上厚达12厘米的碳复合盔甲,勇敢地奔向太阳。

2   Parker Solar Probe卫星

        PSP的观测可以追踪加热和加速太阳日冕和太阳风的能量流动,研究太阳风源的等离子体和磁场的结构和动力学特征,探索高能粒子的加速和运动机制。虽然当前科学家认为耀斑和激波是高能粒子加速的主要机制,但在1AU处的观测却无法证实这一点。PSP能近距离观测到耀斑、日冕物质抛射,以及激波,有助于研究和证实高能粒子加速机制,对太阳爆发活动的研究也具有重要的意义。

3    Parker Solar Probe轨道

 4   近距离探测对太阳爆发活动研究的重要意义

        PSP将挑战更近距离观测太阳,它的观测记录可以回答一些长期以来困扰着天文学家的难题,有助于揭示太阳的运行机制,了解太阳与行星、地球的关系,提高人类预测太空天气的能力,改善会影响地球生命的主要天气事件,以及协助太空卫星和宇航员的观测。

    让我们期待PSP成功飞近太阳,为人类解开更多太阳及太阳风的谜团。

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月球“尘暴”

 

    你知道月亮的背面是什么样子的吗?

    由于月球自转周期恰好等于公转周期,月球始终有一面背向地球,几千年地面上的人们始终无缘得见月球背面的真容1959苏联发射的月球3探测器飞越月球第一次拍下了月球背面的照片,此后几十年里人类对月球背面进行过多次遥感探测,包括中国嫦娥计划在内的多个探测器飞临月球背面,获得了大量数据,。

    嫦娥四号计划今年下半年发射,将在月球背面着陆巡视,中国探月将迈入新的阶段——月球背面原位探测,虽然时至今日月球背面已经不神秘了,但是这样的原位探测在人类历史上还是第一次。

 1 嫦娥二号拍摄月球背面影像图

    此前玉兔号探测器顺利完成了月球正面原位探测任务,然而月球背面环境与正面相比还有很多区别。其中,月球尘埃的侵袭就是必须面对的一个重要问题月球的尘埃环境是怎样的?这要从阿波罗17号宇航员看到的发光现象说起

 月球发出奇异的光

        1972的一天,当阿波罗17号处在月球背阳面的轨道上,太阳还在月球的地平线之下时,宇航员尤金•塞尔南正在观测太阳大气。这种观测是建立在月球完全挡住了太阳自身明亮的光线,而使太阳大气微弱的光线变得更明亮的假设基础上的。

    塞尔南确实观测到了太阳大气发出的微弱的光芒,但是他也发现了一个奇异的现象:就在太阳升起前,月球地平线上出现了一道细长的新月状的明亮光线,就像地球上日出和日落时地平线上出现的情景。地球上因为大气中的水分和灰尘对太阳光线的散射造成地平线上的发光现象。而月球上几乎没有大气,或者说月球大气非常稀薄,甚至气体分子之间极少发生碰撞。如此稀薄的大气是不可能产生这样的光线散射的。

尤金•塞尔南对神秘发光现象的记录

 勘测者7月球探测器拍到的月球地平线上奇怪的发光

    然而,更为奇异的是,月球地平线发光的现象并不是总能被观测到。阿波罗16号上的宇航员肯•马丁利做了相似的太阳大气观测,但是没有观测到月球地平线发光的现象(这也是他个人极大的遗憾)。同时,在阿波罗1517号的日冕观测照片上都能发现月球地平线特别的明亮,而阿波罗16号的日冕观测照片上却找不到同样的现象(这也与宇航员的说法吻合)。

    其实神奇的散射光来自月球尘暴

 带电的月球尘暴

    月球表面覆盖着一层很厚的尘埃颗粒,是数亿年中月球表面反复受陨石撞击形成的,主要由晶质颗粒与较大的火成岩碎块﹑玻璃质碎片(包括大量的玻璃球粒)及微量金属颗粒组成。月尘颗粒非常细小,平均尺寸在45~100微米之间。直径小于1mm的月尘颗粒占月壤总质量的95%以上,大部分的颗粒都非常锐利和透明,类似于精细的矿渣或是火山灰。

    月尘具有极强的吸附能力、材料磨损能力和穿透能力细小月尘会附着在执行出舱任务的航天员的航天服表面,被带回登月舱内部,甚至直接渗透进航天服中宇航员健康产生极大损害。阿波罗计划的宇航员报告过登月舱内部漂浮闪闪发光的月尘颗粒,这些尘埃引起了皮肤,眼睛和呼吸道的不适感。对于非载人的月球探测任务,月尘可能遮挡着陆器太阳能电池板,渗透进仪器内部造成污染、磨损、故障甚至失效。阿波罗12航天员Surveyor 3无人登陆器检查中发现,在月面停留2时间内Surveyor 3光学镜面被月尘覆盖并发生损伤。

月球尘埃颗粒

    月尘的特性是由携带的电荷造成的。月球表面没有大气和磁场的保护,长期遭受来自空间的等离子体轰击,其中热电子会在具有低介电系数和介电损耗月球尘埃颗粒上累积。在有光照的情况下,尘埃颗粒发射的光电子会带走多余的负电荷,将月尘电位维持在几伏特左右。而在无光照条件下电子将在月尘颗粒上不断积累,可能使尘埃颗粒具有百伏特上千伏特的负电位。带电的尘埃粒子相互排斥漂浮在月球表面,在空间等离子体环境恶劣情况甚至能达到几十公里高度,形成名副其实的月球尘暴对月球着陆任务的安全造成威胁。

    上文提到的月球地平线发光现象正是这些漂浮的尘埃颗粒对太阳光线的散射造成的。由于月球尘埃的漂浮高度与月球周围空间的等离子体环境有关,因此肯•马丁利没能捕捉这种神秘的亮光。

月球表面尘埃带电

 加强尘暴——与地球磁层“约会”

    月球背阳面的“尘暴”等级受空间等离子体的影响,那么月球遭受的等离子体环境情况如何呢?

    大多数时间里,月球沉浸在太阳风等离子体环境中,其中的热电子通量并不高月尘带电效应也不显著。然而满月后五天左右时间内,月球会穿越太阳风在地球背阳面形成的长长腔体——地球磁尾。这一区域太阳风和地磁场双重影响,等离子体环境更加复杂、恶劣,中心区域等离子体温度比太阳风高一到两个量级。在月球不受光照的背阳面,高通量的电子聚集在的尘埃颗粒上,可能使其电位达到几千伏特,形成月球“加强尘暴”。

月球穿越地球磁尾示意图

      位于月球背面嫦娥号着陆器满月期间恰好处于背阳面。每当月球与地球磁层进行几天短暂的约会着陆器就会遭受地球磁尾带来的月球“加强尘暴侵袭,同时着陆器本身也会经历复杂的电荷交换过程势必会它的探测活动造成影响。对于嫦娥号着陆器来说,这既是一个挑战也是一个机遇根据嫦娥三号任务获得的月球表面环境数据研究人员可以更为准确地模拟月球尘埃着陆器造成的影响,并进行系列地面验证实验最终改进嫦娥四号着陆器防尘设计,以保障运行安全

    月球表面最恶劣的环境是怎样的?月球背面尘埃在磁尾区域内会经历怎样的充放电过程?由于缺少原位探测,时至今日这依然是有待研究的课题。相信嫦娥号的探测将带领我们探寻更多的未知

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5月11日中等高能电子暴事件持续

        受重现性冕洞高速流的影响, 2018年5月5-9日、11日地磁发生扰动。5月6-8日,地球同步轨道大于2MeV高能电子日积分通量达到小高能电子暴水平,9-11日高能电子日积分通量超过中等高能电子暴事件阈值(1.0E+09 个/cm2·sr·day),达到橙色警报等级,日积分通量分别为1.60E+09个/cm2·sr·day、2.26E+09个/cm2·sr·day、1.94E+09个/cm2·sr·day。预计高能电子暴事件还将持续3-4天左右。

        鉴于近几日高能电子通量持续处于高水平,请中高轨道卫星用户关注深层充电可能引起的异常。

        关于近地空间环境的发展态势,我们将密切关注并及时通报。

图1 2018年5月9-11日发生中等高能电子暴事件

 

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5月10日中等高能电子暴事件持续

        受重现性冕洞高速流的影响, 2018年5月5-9日地磁发生扰动。5月6-8日,地球同步轨道大于2MeV高能电子日积分通量达到小高能电子暴水平,9-10日高能电子日积分通量超过中等高能电子暴事件阈值(1.0E+09 个/cm2•sr•day),达到橙色警报等级,日积分通量分别为1.60E+09个/cm2•sr•day、2.3E+09个/cm2•sr•day。预计高能电子暴事件还将持续3-4天左右。

        鉴于近几日高能电子通量持续处于高水平,请中高轨道卫星用户关注深层充电可能引起的异常。

        关于近地空间环境的发展态势,我们将密切关注并及时通报。

图1 2018年5月9-10日发生中等高能电子暴事件

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5月9日发生中等高能电子暴事件

        受冕洞高速流的影响,2018年5月5-6日地磁发生小扰动。5月6-8日,地球同步轨道大于2MeV高能电子日积分通量达到小高能电子暴水平,9日高能电子日积分通量超过中等高能电子暴事件阈值(1.0E+09 个/cm2·sr·day),日积分通量为1.60E+09个/cm2·sr·day,达到橙色警报等级。预计高能电子暴事件还将持续3-4天左右。鉴于近几日高能电子通量持续处于高水平,请中高轨道卫星用户关注深层充电可能引起的异常。

      关于近地空间环境的发展态势,我们将密切关注并及时通报。

图1 2018年5月9日发生中等高能电子暴事件

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