地球与太阳之间存在着一个稳定的拉格朗日点(Lagrange point)——L1点,该点在距地球高达150万千米的位置,是地球和太阳的引力平衡点(如图1所示)。太阳爆发活动在从太阳到地球的传播过程中,要与背景太阳风发生相互作用,是否最终能影响到地球,除了与太阳爆发活动本身的大小、位置和方向有关之外,还与传播过程密切相关。因此,需要对太阳爆发活动在日地空间传输过程进行密切监视。因此,L1点是一个独一无二、对于空间环境监测非常重要的位置。就像地球上的天气预报,精准的空间环境预报有赖于可靠的观测,L1点卫星可以直接监测太阳风暴是否到达,所监测的参数是太阳风暴所喷发的等离子体团的密度、温度和磁场特性,可以提前数个小时提供空间环境事件预警,有助于更可靠地预测太阳风暴,提高监测太阳活动的能力。

图1 L1点示意图
ACE(要素/同位素成分高级探测器)于1997年8月25日发射,数据分辨率为1分钟,迄今为止,已经在L1点轨道运行了二十年,为空间环境的研究和预报提供了很多必要的监测数据。DSCOVR(深空气候观测卫星)于2015年2月11日发射,在110天后进入L1点轨道,实际上,DSCOVR卫星正在逐步取代即将退役的ACE卫星。DSCOVR相比ACE卫星更进一步的是,DSCOVR的数据分辨率提升至10秒。
DSCOVR卫星携带的两个地球遥感装置——EPIC(地球多色成像仪)和NISTAR(高级辐射计),能够监测地球大气的臭氧与悬浮微粒水平、以及地球辐射的变化。图2是NASA于2015年8月5日发布的,DSCOVR卫星观测到的月亮与地球贴面的奇景,当月亮穿行于地球与DSCOVR卫星之间时,月亮看上去就好像贴在了一张湛蓝色地球画面的墙纸上。该图片是由7月16日通过不同波长观测的3种观测数据组合而成的。由于月球围绕地球转动过程中同时按照相同周期自转,因此朝向地球的总是同一侧面。虽然截至目前数架探测器对月球背面进行了拍摄,但是像此次NASA运用DSCOVR卫星捕捉到的摄影时机预测一年只出现两次。

图2 NASA公布的月亮与地球合影
图3展示的是DSCOVR和ACE卫星对2015年3月17日的太阳风暴的实时观测,其中黑色曲线代表的是ACE卫星MAG(磁力计)观测到的行星际磁场强度,以及SWEPAM(太阳电子、质子和α粒子观测仪)观测到的太阳风等离子体速度和密度,而红色、绿色和蓝色曲线分别代表的是DSCOVR卫星MAG(磁力计)观测到的行星际磁场强度,FC(法拉第杯)观测到的太阳风等离子体速度和密度。DSCOVR卫星的观测数据很好的弥补了ACE卫星观测数据出现的“跳跃”、“缺失”等问题。当时,DSCOVR和ACE卫星的位置在日地连线上的投影相距约为4万千米。图4是该次太阳风暴的示意图,地磁指数Kp最大达到了8,达到了大地磁暴水平。

图3 对2015年3月17日太阳风暴的两卫星实时观测

图4 对2015年3月17日太阳风暴
大部分质子事件发生期间,ACE卫星SWEPAM(太阳电子、质子和α粒子观测仪)对太阳风等离子体的密度和温度观测都出现了不稳定和发生错误的现象。例如1998年至2012年的44个大至强地磁暴事件中,ACE卫星只能为其中34次事件提供完善的实时观测数据,但DSCOVR卫星的太阳风等离子体监测仪器更为先进,可以解决这一问题。DSCOVR卫星PlasMag(等离子体磁力计)可观测的太阳风等离子体速度范围是[168,1340] km/s,密度是[0.22-219]cm-3,温度是[3.9×104,7.3×107]K。然而,DSCOVR卫星对太阳风等离子体的速度观测范围不够,一些可能引起强烈地磁暴的高速太阳风速度超过1340 km/s时,DSCOVR卫星就无法提供准确的实时观测数据了。但在1998年至2012年期间,只有万圣节事件(2003年10月31日)超出了DSCOVR卫星的观测范围,而ACE卫星对该事件的观测也不完善。
随着ACE卫星的退役,DSCOVR卫星逐步接过空间环境监测任务的接力棒,成为空间环境监测的前哨站。