【2012太阳风暴】专题“太阳哨兵”计划：小分队玩命杀向禁区，干啥？为啥？

[代号]“太阳哨兵”计划

[规范称呼]“太阳动力学天文台”

[英文名称] Solar Sentinels

[发起人]美国航空航天局(NASA)

[行动时间] 2010年2月11日

[目的]

1、了解太阳高能粒子是如何传输和加速的。

2、了解新冠质量发射是如何开始和发展的，以及在太阳圈内形成行星际冲击波的方法。

约翰伯克

[背景]

经历了2008年至2009年意想不到的太阳“平静期”，2012年太阳风暴将毁灭地球的传闻再次开始猖狂起来。

然而，实际上太阳早已处于天文学家的密切关注之下。这一观测网络又增添了一员不间断值勤的哨兵——美国航空航天局于2010年2月11日发射的“太阳动力学天文台”。

“太阳动力学天文台”设计寿命5年，预计可实际工作10年，它是“与恒星共存”计划（living with a star）的第一个探测任务，将对太阳大气进行实时、高时空分辨率、多个波段的不间断观测，试图解开太阳黑子、太阳耀斑、暗条爆发、日冕物质抛射及太阳风等极端太阳活动的成因，理解太阳活动对地球及近地空间环境的影响。“太阳动力学天文台”还将深入研究太阳磁场如何产生和演化，其中存储的能量如何以太阳风、能量粒子和太阳辐射等形式相互转化和释放到日光层与近地空间。

约翰·伯克绘

“太阳动力学天文台”的科学目标包括：高时间分辨率测量太阳极紫外光谱辐射、测量整个可见面由太阳震荡引起的多普勒频移、高时空分辨率测量纵向和矢量磁场、快速对太阳色球层和内日冕不同温度带进行成像，以及使这些观测能量覆盖一个太阳周关键时期，获得太阳周中不同时期的太阳变化规律。通过这些前所未有的观测，将会促使人类更彻底地理解引起地球环境冰花的太阳动力学原因。

“太阳动力学天文台”的K波段和S波段科学数据将分别通过机载高增益和两个机载全方位天线下载。地面接收站由建在白沙导弹靶场和新墨西哥的两个专门的18米射电天线组成。

飞船任务由美国航空航天局戈达德航天中心的任务中心遥控执行。

美国航空航天局已选定洛克希德.马丁公司负责建造“猎户座”航天器，运送宇航员重返月球。美国航空航天局官员们正在认真考虑建造一组新载具，监视可能导致返月失败的危险的太空风暴。

“太阳哨兵”任务可提供关于大剂量太阳辐射（威胁宇航员及航天器电子设备）的重要数据，该任务将使用现有技术，使其建造相对加快。

“太阳哨兵”的目标是：

1、了解太阳高能粒子是如何传输和加速；

2、了解日冕物质抛射是如何肇始和发展，以及在太阳圈内如何形成行星际激波。

约翰·伯克绘

推动这个任务的动机是要在第24太阳周期的极大期结束，在第一次载人前往月球和火星之前。这意味着将是再度载人进入太空之前，试图了解太阳极大期的太阳风暴和致命辐射的最后机会。

在“2009计算机图形和交互技术国际大会”上，美国航空航天局“戈达德太空飞行中心”的研究人员演示了时长7分钟的“Sentinels of the Heliopshere”（日球层哨兵）的惊艳视频，它有可能提名为“2009计算机图形和交互技术国际大会”的最佳展览奖，相当于奥斯卡的最佳动画短片奖。“日球层哨兵”展现了美国航空航天局发射的太阳系探测器舰队，视频从地球近地轨道开始，逐个渐扩大到地磁圈，地球和太阳之间的巨大空间，最终是越过太阳系日球层的“航海家”1号和2号。视频涉及了25个飞行器、8大行星、冥王星、月球。它令人感受到地球的渺小，太阳系的广阔无垠，以及美国航空航天局探索宇宙的雄心壮志。

2009年太阳处于平静期，但第24个太阳周期正在开始，并于2010-2012年间达到顶峰。尽管“太阳和太阳风层探测器”航天器已经观测了太阳的辐射风暴，即将发射的日地关系天文台（STEREO）任务也将提供三维图像，但一些科学家认为需要更多航天器了解辐射对未来探索的威胁。

“太阳哨兵”将有6艘太空船，包括4艘完全相同的太空船将探测内太阳圈，一艘太空船在地球的附近巡弋，最后一艘哨兵位在地球的后方并将逐渐远离：

约翰·伯克绘

“内部日球层哨兵”（Inner Heliospheric Sentinels，HIS）

最主要的内太阳圈哨兵，金星与水星轨道内有4个相同的探测器，就近搜取高能太阳粒子样本。它们将在0.25天文单位的距离上观察太阳。在地球和太阳1/4的距离上执行这个任务，对科学家和工程师都是一个挑战。这些探测器将在现场测量太阳高能粒子和等离子。仪器测量的项目还包括X射线、无线电波和中子等的发射。这个任务的一部分还包括飞越金星。

“太阳动力学天文台”的“大气成像装置”利用多个紫外和极紫外波段，对太阳进行全日面高时空分频率的观测，平均每隔秒在个波段几乎同时地对太阳进行成像，图像涵盖约1.3个太阳直径，空间分辨率小至1角秒，时间分辨率小于10秒。如此高分辨的紫外成像数据可用来定量分析研究太阳宁静区、活动区以及太阳磁活动如耀斑等爆发过程中的日冕磁场，以及其中的等离子体的演化。

其次，“大气成像装置”还是日冕磁场的一个间接观测手段。虽然太阳活动一般由磁场演化所驱动，但是日冕磁场目前还不能被直接测量。索性的是。太阳上的等离子体大部分被冻结在磁力线上，如果能测量这些等离子体的辐射和吸收信息，就能反映日冕磁场的情况。从太阳光球层（表面）到几十万公里高度的太阳磁场中含有足够致密炙热的等离子体，它们可发射广阔的温度范围内的光谱信息，但在紫外线和X射线波段辐射亮度最强，这也是选择它们进行成像观测的原因。另外，辐射亮度是局域日冕等离子体温度和密度的综合体现。利用不同紫外波段的同时观测，可以生成反映等离子体密度和温度相对大小的比对图像，空间分辨率达到现今最好的约1角秒，能够用来仔细研究日冕结构和演化。再结合“极紫外测变实验装置”、“日震和磁场成像器”以及其它空间和地面的观测，“大气成像装置”的最终科学目标是，对所观测到的太阳磁活动物理本质能够产生新的理解，并发展有效的日地和行星际的空间灾害性天气预报模式。

“近地哨兵”（Near-Earth Sentinel，NES）

一个绕地轨道航天器，从大型风暴产生处，观测太阳大气层。将以可见光和紫外线研究日冕。

“极紫外测变实验装置”将提供全新高时空分辨率和高准确度的太阳极紫外辐射的测量。太阳极紫外光子的能量输出是加热地球上层大气、产生电离层的主要原因。太阳辐射从瞬间到具有超过11年周期的不同时标变化，会严重影响地球气候、禁地空间环境，影响卫星在轨运行，干扰通讯系统及全球定位系统的正常运行，因此理解太阳极紫外辐射输出机制对人类的生活、生存、生产非常重要。“极紫外测变实验装置”可测量太阳上全部一百多种的不同极紫外光谱辐射，即使在同一耀斑过程中，不同谱线的辐射到达各自峰值的时间也各不相同，而且下降速度也各异。“极紫外测变实验装置”观测结合理论模型将进一步从科学上理解基于太阳磁活动的太阳极紫外辐射的变化原因。

“远端哨兵”（Farside Sentinel，FSS）

一个航天器，观测太阳距地远的一面。将研究光球和磁场。届时，将有3艘太空船同时对磁场进行完整的监视，另外2艘共同工作的太空船是：美国航空航天局的“太阳动力学天文台”和ESO的太阳轨道载具。

“日震和磁场成像器”研究太阳变化的内部来源和机制，以及太阳内部的物理过程如何和太阳表面磁场活动相关。“日震和磁场成像器”数据包括全日面多普勒速度图和视向磁图，以及全日面矢量磁图，前两者每50秒获取一幅图像，后者90秒成像一次，空间分辨率达到1角秒。“日震和磁场成像器”的科学目标是：

探讨对流层动力学和“发电机机制”；

研究太阳黑子的起源和演化；

分析活动和扰动的来源于驱动；

分析太阳内部物理过程和日冕日球的动力学机制之间的联系；

发现能预报空间灾害性天气的太阳扰动先兆。

其观测数据结合理论外推，通过重构不同高度日冕磁场，可研究广泛内太阳磁大气的变化。“日震和磁场成像器”观测将通过建立太阳内部动力学机制与太阳表面磁活动的联系，来解释太阳的变化及其效应，及有可能实现可靠的预报。“日震和磁场成像器”实现了对太阳整个可见日面纵向和矢量磁场的高分辨率观测，这一特种不仅对“太阳动力学天文台”卫星迈克尔逊多普勒成像仪的继承，更是一种极大的提高和改进。

【行动经过】

2010年2月11日，当美国航空航天局的“太阳动力学天文台”呼啸升空的时候，项目科学家们长舒了一口气。发射（几乎）总是太空计划中最为危险的部分。

当“太阳动力学天文台”安全抵达最终的轨道（相对赤道倾角28度的地球同步轨道）时，飞行小组开始为了让探测器以空前的精度监测太阳做准备。通过新墨西哥州的任务专用地面站，指令上传，数据下行。

“太阳动力学天文台”实际上是一个三轴稳定飞船，带有两个太阳能电池板，有三套专门仪器来检测太阳活动，它们分别是由洛克希德马丁公司与天体物理实验室建造的“大气成像装置”、由科罗拉多大学博尔德分校大气与空间物理学实验室建造的“极紫外测变实验装置”和由斯坦福大学提供的“日震和磁场成像仪”。“太阳动力学天文台”顶部安装有4部“大气成像装置”，底部的“极紫外测变实验装置”和“日震和磁场成像器”装置分别测量太阳的极紫外辐射个可见日面磁场。两侧的太阳能电池板为卫星提供充足的能源。

美国航空航天局“太阳动力学天文台”上搭载的3台设备，将在11年的完整太阳周期中持续监视太阳

在等待了两个月之后，终于得以一瞥“太阳动力学天文台”可以做的事情了。4月21日下午，美国航空航天局的官员公布了该卫星3台仪器获得的第一批照片和视频。

色球，过渡区

太阳的盘面总会以五花八门的方式让人着迷，它那沸腾搅动的表面持续不断地发生着变化，任何一个关注“太阳和太阳风层探测器”的人都知道意味着什么。不过“太阳动力学天文台”让太阳的可视化进入了一个新的层次。进行观测的频率或者说节奏要快上许多，而21日公布的视频更是让人屏息。它们体积太大，难以在本文中展示——下面的小图实际上只是个截图。为了真正看到奇景，请访问该计划专门为初光信息设置的的专门网站。

在这片“太阳动力学天文台”于2010年3月30日捕获到的大型日珥中，扭曲的电离气体条带从太阳表面上耸

简单地说，“太阳动力学天文台”的5年任务是要确定太阳的变化方式，以及这些变化对地球的影响。它并非第一架以此为目标的探测器，但是它携带的3台仪器设计目标是以空前壮观的方式来确定这些变化。这颗卫星每天都会将1.5TB的数据传回地面，这相当于380部电影的全长。

了解得最多的设备是大气成像仪，这是一组4架望远镜，在紫外和极紫外波段记录全日面的图象。“太阳和太阳风层探测器”每隔几分钟会在同样的波段上拍摄一组图象，而大气成像仪的图象拍照间隔是10秒。

这张结合了“太阳动力学天文台”AIA仪器3张照片得到的，图象展示的是太阳在2010年4月8日的面貌

“太阳动力学天文台”的极紫外光变实验设备将集中研究主要加热地球高层大气并产生电离层的太阳光子。其他探测器曾经测量过太阳的极紫外光变，不过极紫外光变实验设备会将此工作做得更好更快，在某些情况下可以每隔1/4秒就为太阳的输出功率做一次采样。

大气成像器在171埃的波长拍摄到的图像，显示了安静的日冕和上层太阳过渡区目前的状况

“太阳动力学天文台”日震与磁像仪的工作是监视太阳表面的磁场，并探测内部发生的事情。太阳持续不断地颤抖着，物理学家可以利用振动的波长和频率来测绘太阳的内部结构——这类似于地球物理学家使用地震来探测地幔和地核。

太阳物理学家现在拥有了强有力的新工具来探索我们的太阳，这是非常妙的事情。这架探测器会拍摄一些吸引眼球的灿烂照片，可以用来吸引并赢得更多的公众关注。

2011年2月14日一个活动区的情况，此时是在耀斑爆发一天之前。蓝色箭头表示从太阳表面升起的磁场，红色箭头表示指向太阳表面的磁场。

“内部日球层哨兵”小组首先公布的矢量磁图数据表现的是太阳上的某一特定区域，这里名为11158号活动区，2011年2月15日，这里发生了本次太阳活动周的第一次X级耀斑。“内部日球层哨兵”观测了活动区在2月12日至16日间穿过太阳表面的情况，第一次展示了在耀斑爆发数天之前能量在扭曲黑子内的积累。磁图动画给出了旋涡状黑子附近流动的细节，还有耀斑爆发之时水平方向磁场的突然变化。

“日震学与磁象仪”给出了类似上图的太阳磁场图

【后续】

很有可能同时发射3艘“内太阳圈哨兵”。预定的发射日期分别是2012年、2014年、2015年或2017年。任务的时间至少3年，如果可能将延长为5年。

飞船每天会产生1.5万亿字节的数据，每秒发送回15亿字节的数据，堪比一个机载拍摄好莱坞电影的超级工作室，每天产生大约380部标准长度的数据。数据传回地面后，会尽快被处理伤亡公布，实现全球共享。但由于数据量巨大，为满足全球太阳研究者的需求，建立多个数据镜像工作站势在必行。

中国科学院国家天文台已经和斯坦福大学积极磋商，达成建立“太阳动力学天文台”中国数据镜像点的初步共识，双方正在积极促成这项合作计划的落实。这将极大方便和满足我国太阳物理工作者的需求，推动我国的太阳物理研究走向世界前沿。

由SDO的大气成像器在211，193，和171埃的波长的拍摄复合图像

【关联性】

“太阳哨兵”是美国航空航天局与“恒星共存”计划的一部分，总共将发射6艘太空船，分成3组进行相关研究。

“太阳哨兵”是在太阳极大期研究太阳的太空任务，在“猎户座”计划开始之前的最后计划。

大气成像器在94埃波长拍摄到的图像

【影响】

“太阳哨兵”计划是人类科技进步的伟大结晶，它使人类能够有更加强力的手段了解自然、掌握自然、顺应自然和驾驭自然，这种能力已经极大的超越了地球的束缚，使人类对世界的认知与对自我的掌控能力得到倍增。

SDO的大气成像器在4500埃的波长拍摄到的

【评论】

“太阳动力学天文台”将是今后10年里太阳研究的一项基础观测仪器，它会促使人类在认识太阳极其对人类生活和社会的影响方面迈出一大步。

一些其他的太空船将协助任务的执行，像是日地关系天文台、“太阳动力学天文台”、日本的日出卫星 （Hindo）和ESA的太阳轨道载具；地基的望远镜也将协助任务的进行。

【相关资料】

需要说明的是，地球同步轨道周期为24小时，与地球自转相同；如果卫星处在地球同步圆轨道上，从地面上看去，卫星会上下摆动，但赤经却保持不变。

静地轨道的额外条件是倾角为0，通信卫星会使用这样的轨道，原因是这样它们看起来在天空中会保持不变，所以接收天线不需要追踪它们。

【代号说明】

“太阳哨兵”，是一个积极、乐观、充满自信心、自豪感与使命感的名字。虽然感觉是对太阳提供护卫，但实际是人类的带刀护卫。

太空探索行动计划中，为数最多的名字是以科学家、天文学家的名字命名的，其次是以星座、希腊神话人物命名的。“太阳哨兵”这种类型的名字，并不多见。

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