世界最先進的太陽觀測衛(wèi)星升空

□ 諸葛炎

宇宙神5型火箭托舉“太陽動力學觀測臺”衛(wèi)星升空

太陽對地球氣候和空間天氣影響十分巨大，太陽耀斑爆發(fā)時可將宇宙粒子噴射抵達地球而中斷衛(wèi)星通信，甚至導致地面供電中斷。最新的研究也表明，地球氣候為宇宙星體相互作用所致，而太陽對其影響首當其沖，所以監(jiān)控和研究太陽的活動性十分重要。

2010年2月9日升空的美國“太陽動力學觀測臺”衛(wèi)星尤為引人注目，因為它是目前最先進的太陽觀測衛(wèi)星，它能確保幾乎不間斷地觀察太陽磁場、噴發(fā)的等離子體和眾多其他現(xiàn)象，每天能收集到有關這些現(xiàn)象遠比現(xiàn)有衛(wèi)星收集的信息要多，從而能更準確和更及時地預測空間天氣。

“太陽動力學觀測臺”攜帶的三種儀器的安放位置

超級大腕有絕招

當今最“牛”的太陽觀測衛(wèi)星當屬“太陽動力學觀測臺”，因為它可揭示太陽活動每一細節(jié)：“太陽動力學觀測臺”每0.75秒鐘獲得一幅圖像，2006年升空的美國“日地關系觀測臺”每90秒能提供一張圖片，而1995年升空的美國和歐洲聯(lián)合研制的“太陽和日球層觀測臺”每12分鐘才能提供一張圖片；“太陽動力學觀測臺”所有圖像均為4096像素×4096像素，成像分辨率好于高清電視10倍；它每天可向地面轉送1.5太比特有關太陽信息的龐大數(shù)據(jù)流，所發(fā)回數(shù)據(jù)為美國航宇局此前任何一顆太陽觀測衛(wèi)星的50倍，據(jù)相當于每天傳送50萬首歌曲，或相當于380部完整長度的電影的數(shù)據(jù)量。它將能夠幫助科學家們理解太陽磁場是如何產生和形成的，以及這個磁場中的能量是如何隨著太陽風和能量粒子被釋放到太空中的，更好地研究太陽變化的原因以及這些變化對地球的影響。

“太陽動力學觀測臺”在軌飛行示意圖

“太陽動力學觀測臺”項目耗資8.48億美元，2001年開始啟動。其總質量為3200千克，其中有效載荷質量為270千克，燃料質量為1400千克，長6.25米的太陽電池翼可提供1.54千瓦功率，衛(wèi)星工作壽命5年～10年。升空后運行在一條帶傾角的地球同步軌道，在這條軌道上衛(wèi)星能持續(xù)地對向太陽，并同時保持同一座專用地面站的聯(lián)絡。

“太陽動力學觀測臺”擬實現(xiàn)七大科學目標：1.何時會發(fā)生爆發(fā)性太陽活動，怎樣更準確可靠地預報空間天氣；2.暗條噴發(fā)、日冕物質拋射和耀斑等產生原因，與哪種磁場構型有關；3.太陽活動周期機理；4.小尺度磁重聯(lián)在日冕加熱和太陽風加速方面所起作用；5.活動區(qū)磁通量變化規(guī)律；6.太陽極紫外射線譜輻照度變化原因，以及如何與磁活動周期聯(lián)系在一起；7.怎樣確定近地太陽風結構核動力學特性。

測試日震與磁暴成像儀

極紫外變化實驗儀器

為此，“太陽動力學觀測臺”衛(wèi)星攜帶了3個主要儀器：由洛馬公司建造的大氣成像組件、由科羅拉多州大學制造的極紫外變化實驗儀和由斯坦福大學提供的日震與磁暴成像儀。

大氣成像部件首次采用4個雙通道、20厘米孔徑正入射望遠鏡，可首次提供多譜段、近同時、覆蓋寬的連續(xù)溫度范圍的高分辨率日冕圖像。

為了同時測量各個譜段，極紫外變化實驗儀器采用具有4個通道陣列探測器的極紫外射線光柵光譜儀，主要用于測量源于太陽色球層、過渡區(qū)和日冕的太陽極紫外射線輻照度。通過該儀器能進一步認識太陽極紫外射線對地球空間環(huán)境及人類的影響；掌握太陽極紫外射線輻照度的特性和變化規(guī)律。

日震與磁暴成像儀由折射望遠鏡、偏振選擇器、成像穩(wěn)定系統(tǒng)、窄帶看調諧濾波器和2個4096像素×4096像素CCD攝像機組成，是通過測量選定譜線的多普勒頻移來確定光球層的震蕩速度。它用于測量太陽光球層的運動，研究太陽的內部結構和磁活動的各個分量以及太陽震蕩，測量譜線的偏振、光球層磁場的三分量，估計日冕磁場，從而掌握太陽變化的內部源和機制，了解太陽內部的物理過程與表面磁場和表面活動相關的，認識太陽大氣層的變化性。

太陽對地球的巨大影響

方興未艾前景廣

2010年2月22日，俄羅斯莫斯科物理工程學院天體物理研究所所長科托夫透露，俄羅斯將研制新一代太陽觀測衛(wèi)星。2009年年初，俄羅斯曾發(fā)射了“日冕-光子”太陽觀測衛(wèi)星，它用于探測太陽內部結構及太陽活動對地球氣候、大氣層及生物圈的影響，并計劃在太空工作3年，但不到1年它就因供電系統(tǒng)故障而提前退役。俄羅斯將在此衛(wèi)星基礎上研制新一代太陽觀測衛(wèi)星，其技術性能將更優(yōu)越，電池工作效率將更高，在軌工作壽命也將更長。新衛(wèi)星上將配備紫外線及高能γ射線高靈敏度測量儀；此外還將安裝特制的發(fā)動機，以便根據(jù)需要調整衛(wèi)星軌道高度。該衛(wèi)星運行在赤道上空600千米處，因為這一軌道不僅可以使衛(wèi)星較好地記錄太陽電磁輻射，而且還可以有效減少地球輻射和太空輻射對衛(wèi)星及其測量儀的影響。目前俄科學家最關心的問題是提高新衛(wèi)星的工作壽命，因為為了更好地執(zhí)行對日觀測任務，衛(wèi)星的工作壽命應不少于10年到11年，這也是太陽活動的最短周期。俄羅斯新一代太陽觀測衛(wèi)星初步計劃將于2014年發(fā)射升空。

今后，國外還將發(fā)射“太陽哨兵”、“太陽軌道器”、“太陽探測器+”等太陽觀測衛(wèi)星。

美國“太陽哨兵”的任務是提供關于威脅航天員及航天器電子設備的大劑量太陽輻射的重要數(shù)據(jù)。它是一組航天器，有的也可稱為空間探測器，因為其中“內部日球層哨兵”是在金星與水星軌道內發(fā)射4個相同的探測器，就近搜取高能太陽粒子樣本；“近地哨兵”是一個繞地軌道航天器，從大型風暴產生處觀測太陽大氣層；“遠端哨兵”是一個觀測太陽距地遠一面的航天器。

歐洲“太陽軌道器”項目與美國“太陽哨兵”計劃契合。通過聯(lián)合雙方力量，太陽軌道器任務將成為一項強大的協(xié)作任務。“太陽軌道器”成本約3億歐元，預計2015年中期發(fā)射。

美國的“太陽哨兵”星座

2015年5月即將發(fā)射的歐洲“太陽軌道器”將對太陽進行最近距離甚至現(xiàn)場測量，以前所未有的高分辨率提供太陽圖象

“太陽探測器+”軌道模擬圖，其中標示了“太陽探測器+”多次近距離太陽飛越的軌跡

美國航宇局計劃在2015年5月發(fā)射“太陽探測器+”，對太陽進行為期7年的作業(yè)任務。之所以取名“太陽探測器+”，是因為該探測器的設計利用了應用物理實驗室2005年推出的名為“太陽探測器”的探測器設計。“太陽探測器+”將穿入日冕內部來探個究竟，即工作在太陽大氣深處，在那里可以采集太陽風以及磁場的一手樣本。原位測量將使科學家掌握要破解日冕加熱和太陽風加速的物理成因需要具備什么知識,知道些什么。

據(jù)悉，中國也擬研制1臺“空間太陽望遠鏡”，它工作于光學和X射線2個波段，以光學為主。科學家計劃將它送到約700千米高的太陽同步圓形軌道，用于觀測太陽光球、大氣結構等重要參量。其光學望遠鏡口徑為1米，并配有專門觀測X射線的望遠鏡組，它總重量約為2噸，設計使用壽命約為3年～5年。由于擺脫了大氣層的干擾，“空間太陽望遠鏡”可全天候工作，邊拍照邊向地面?zhèn)鬏敂?shù)據(jù)，因此對于太陽的任何異常活動，天文學家都能及時地獲取信息，從而為日地空間環(huán)境研究，為地球環(huán)境安全提供更多的保障。這架空間太陽望遠鏡將用于全面觀測和預報太陽磁場的變化以及“太陽風暴”等空間天氣情況。

如果建成“空間太陽望遠鏡”，中國科學家則可利用它在廣泛的光譜范圍和連續(xù)的時間演化下，通過高空間和高時間分辨率對太陽進行探測，實現(xiàn)太陽物理研究的重大突破，為空間天氣預報提供重要依據(jù)和方法。

中國“空間太陽望遠鏡”模型