论文部分内容阅读
太阳是地球的生命之源，但这个脾气有些暴躁的火球也经常对地球人的生活造成威胁。为了摸清它的脾气，了解太阳磁场中蕴藏的能量以及该能量对地球的影响，对最剧烈的太阳活动——耀斑进行研究，以期最终实现 “太空天气”预报，2006年10月25日，美国用德尔它-2火箭成功发射了世界第一对孪生太阳观测卫星——“日地关系观测台”（STEREO）。
来自5个国家的科学家参与了这一项目。这2颗卫星在内部结构上有一些细微差别，利用在太空中相互错开的优越定位“注视”太阳，首次为人类展示太阳黑子爆发时的全景三维图像，并前所未有地展现日地之间能量流动的独特景象，帮助科学家们研究太阳周边环境以及太阳活动对整个太阳系造成的影响，研究日冕的产生、活动及其喷发带来的后果，更精准地观测太阳爆发，了解整个“太空天气”及对地球造成的潜在影响。
目前科学家是采用欧洲“太阳与日光层观测台”（SOHO）卫星对“日冕物质抛射”等现象进行观测，虽然它能以10～15分钟一张的速度为太阳拍照，但是从这些平面图片上，科学家很难判断“日冕物质抛射” 是直奔地球还是远离地球而去，无法对其破坏性进行准确地观测。如果采用了“日地关系观测台”的话，双星将同时完成对太阳的拍摄，届时科学家得到的将是一幅立体的图像。人类对太阳的研究将因此而迈出巨大的一步。
“日地关系观测台”将第一次从地球轨道以外给人们传回太阳爆发时的三维图像，这些图像有助于天文学家对太阳风暴给航天员和通信卫星所造成的影响做出准确预测，极大地增进对太阳爆发的了解。它还将首次对日地之间的“太空天气”进行拍照与追踪，首次通过无线电三角定位法连续确定行星际激波的位置，以及首次对太阳活动进行拍照并在1天文单位的尺度内对高能粒子进行实地测量。
科学目标
除了展示太阳三维图像之外，“日地关系观测台”的另一项重要使命是提前预报太阳风暴。太阳风暴主要指太阳上发生的耀斑、“日冕物质抛射”等剧烈活动，属于太空天气的范畴，其中“日冕物质抛射”可以说是太阳系中最猛烈的爆发现象。每次爆发时，会从太阳大气喷发出10亿吨的带电粒子，这些粒子会以每小时数百万千米的速度席卷太空。
如果“日冕物质抛射”方向正对地球，太阳抛射出的数十亿吨的爆炸物不仅能在地球上产生极其壮观的极光，在地球大气层中引发强烈磁暴，还可能使地球上的通讯和导航卫星工作发生中断，甚至可能穿透保护地球的磁场，影响地球上的电力系统和手机网络。此外，喷射中的高能粒子不仅充满太阳系，而且可能有害于人类发射的航天器和在太空工作的航天员。1989年发生的一次太阳风暴曾使加拿大魁北克地区发生大面积停电，有600万居民的供电受到影响。2003年，类似情况再次发生，不仅使瑞典的电力供应中断，还损坏了多颗人造卫星及宇宙飞船。
“日地关系观测台”将探索太阳系内“日冕物质抛射”的缘起、演化及星际影响，进一步认识太阳，揭示太阳与地球的本质关系，了解太阳的稳定性对今后地球大气、气候和环境的影响，减轻“日冕物质抛射”和太阳耀斑对航天器和航天员的负面影响。
“日冕物质抛射”抵达地球一般需要两三天时间。科学家说，现有的太阳监测卫星可以在磁暴来临时提供一定程度的预警，但现阶段的预警通常都太迟或不够精确，一旦磁暴发生，损失极其惨重。有了“日地关系观测台”的跟踪观测，就可以将磁暴预警时间大幅缩短，“太空天气”预报水平将大为改观。
人类通过长期观测太阳发现，它会周期性地出现一种叫做“日冕物质抛射”的现象，即当其爆发时，大量等离子体物质会被从太阳低日冕抛出，并会扰动地球磁场。据估算，一次“日冕物质抛射”产生的能量，是地球上所有核武器所能产生能量的100倍。
目前，人类已研制出许多种类的太阳望远镜，但它们只能站在地球这个方面去观察太阳，并且都无法监测到直接射向地球的太阳风暴，因为太阳的强光总是掩盖了奔向地球的太阳风暴的光亮。而即将发射到远地轨道上的一对“日地关系观测台”，可组成能立体观看太阳与太阳向周围空间喷发的大量气团及带电粒子的巨型“双筒望远镜”，从不同的角度对太阳进行监测，测量和记录太阳耀斑、日冕物质抛射等活动，使人类看到立体的太阳，首次为人类展示太阳爆发时的全景三维图像，并前所未有地展现日地之间能量流动的独特景象。这将帮助人类更深入地了解和预测太阳的爆发现象及其引发的太空气候，乃至其他的行星。
通过“日地关系观测台”，人们能更好地从立体的角度去了解太阳日冕物质喷发现象，了解“日冕物质抛射”的原因和机制，搞清其穿越太阳大气传播的特性，提高对地球周围太阳风结构的认识。
“日地关系观测台”发射后，将以新视角捕捉高清晰度的太阳和太阳风三维结构图像，追踪从太阳到地球之间的能量与物质流动，使地球地磁暴的预警时间可大大提前。目前，“太空天气”预报水平如同20世纪50年代的天气预报。那时雨云都飘过头顶了，人们才知道可能要来飓风。现在，人们也只能在地球上观测到太阳风暴后，靠计算机模型来预测其是否或何时会影响地球。而“日地关系观测台”投入工作后，一旦发生太阳风暴，科学家就可以在第一时间观测到它的速度和方向，更早地发出警报，为防灾赢取更多时间，提前改变人造卫星的方向或降低电压，来预防可能的破坏。
携带的仪器
整个“日地关系观测台”计划耗资约5.2亿美元，是美国“日地探测器计划”的第3步，由美国戈达德航天中心负责，约翰·霍普金斯大学应用物理实验室设计并建造了2个航天器。应用物理实验室还对“日地关系观测台”进行指挥和控制，而美国航宇局将跟踪观测和接收数据，并确定它们的轨道和协调有关科研成果。
“日地关系观测台”设计寿命2年，主体结构是长2.7米、宽2.6米、高3.2米的长方体,尺寸如同高尔夫球推车，质量为642千克，用太阳能电池翼提供475瓦电量。每个观测台装有16台共4组探测仪器，由全球很多实验室的科学家研制，最后在约翰·霍普金森应用物理实验室完成组装。它们包括成像望远镜和太阳风粒子测量仪等设备，可以测量太阳风粒子，进行射电天文观测。
“日地关系日冕与日光层探测仪”（SECCHI），美国海军实验室研制。它由4台成像仪器和测量仪器组成，即1台远紫外成像仪（EUVI）、2台白光日冕仪（COR1、2）和1台日光层成像仪（HI）。这些仪器将观察日冕与日球，不到1秒就拍摄1幅太阳和太阳风的高清三维图像，捕捉“日冕物质抛射”的演变过程和对地球的影响。
“粒子与日冕物质抛射原位测量仪”（IMPACT），美国加州大学伯克利分校研制。它由7台成像仪器组成，即太阳风电子分析仪（SWEA）、磁力计（MAG）、太阳电子质子望远镜（SEPT）、低能望远镜（LET）、高能望远镜（HET）等。它们主要测量行星际空间的磁场结构以及与太阳磁场的关系等，建立太阳的全球磁流体动力学模型。
“等离子体与超灼热粒子成分分析仪”（PLASTIC），英国、德国和美国联合研制。它们用来对“日冕物质抛射”中等离子体的质子、重离子等取样，测量带电粒子的数量，分析其特性和成分。
“行星际射电暴追踪仪”（SWAVES），法国科研中心研制。它由2台高频与低频射电接收机、1台固定频率接收机和1台时域取样仪（TDS）组成，用来收集一些无线电波，这些无线电波是由“日冕物质抛射”的带电粒子穿过运动速度较慢的粒子时产生的冲击波形成的。
这2个“日地关系观测台”还携带了用于实时地给地面进行观测的科学家传输数据的无线电信标，这些数据将在美国科罗拉多州的国家太空海洋和大气环境研究中心进行处理分析，以提高太空天气预报的准确度。该项目的一位科学家表示，就像在对海洋观测中需要多个浮标才能测量洋流一样，在太空中也需要更多的观测卫星进行探测，只有这样才能使我们更好地了解整个太空。
为了获得太阳三维图像，美国为这对卫星设计了一套独特的发射系统，既利用月球的引力让两颗卫星像弹球一样加速，以方向相反、路线相似的轨道绕太阳飞行，以获得独特的太阳立体视角。在任务开始后一个月左右，这对卫星将一前一后，缓慢靠近月球。
进入绕日轨道后，虽然两颗探测卫星的轨道与地球轨道处于同一个平面上(太阳系大多数行星的轨道都处于这个面)，但它们的飞行轨道正好像照镜子一样对称，始终被定位在地球的“两侧”，一个在地球围绕太阳运行轨道的前面，被称为日地关系观测台-A ；另一个则在轨道的后面,名为日地关系观测台-B 。这是模仿人用2只眼观察事物的方法，从不同方位搜集太阳信息后将之传送回地球。科学家再综合原来地面实验室在地球表面和低地球轨道观测所得的数据，选取相关联的数据将之合成为三维的太阳图像，并且分析太阳辐射及其对地球影响的数据。通过它们的观测，科学家们可以首度构建太阳的三维视图。这些图像将显示出太阳风暴环境及其对太阳系内部的影响。这些数据对于理解太阳如何创造太空气候至关重要。
美国海军实验室的罗斯·霍华德介绍说，“日地关系观测台”计划非常独特，卫星能够“全面地”研究太阳和地球之间的关系。他还说：“这是我们第一次从光学上测量，看看一颗卫星上的仪器在另一颗卫星‘眼里’是怎样的。”
“日地关系观测台”是首个利用月球引力被送入完全不同绕日轨道的航天器。它们从靠近地球的轨道飞向刚刚超越月球的轨道。发射后约2个月，2个观测台都将围绕月球运动。约翰·霍普金斯大学应用物理实验室的任务执行人员将利用一次近距离飞越月球行动，进行轨道修正。月球引力将直接作用于其中1个观测台，使它先抵达预定轨道，也就是地球背部大约22°的地方，这个预定轨道比地球距离太阳还要远，运行1周花费387天。再过1个月，第2个观测台利用另一次月球引力开始围绕月球转动，并到达其预定轨道，也就是地球前面大约22°，这个轨道比地球距离太阳较近，运行一周要花费347天。这些机动最终使2个“日地关系观测台”都进入绕日轨道。经过2年的运行后，它们与地球的间隔将分别达到45°，即彼此间隔90°。
这项计划采用多种技术手段来预测“日冕物质抛射”的运动，并且对太阳内部活动构造出比较理想的模型。比如，科学家需要了解“日冕物质抛射”的运动速度有多快，相互之间有什么影响。还有一个目的是测试不同科技手段在预测“日冕物质抛射”运动特征时的不同效果，并建立一个较优良的反映太阳系变化的模型。
来自5个国家的科学家参与了这一项目。这2颗卫星在内部结构上有一些细微差别，利用在太空中相互错开的优越定位“注视”太阳，首次为人类展示太阳黑子爆发时的全景三维图像，并前所未有地展现日地之间能量流动的独特景象，帮助科学家们研究太阳周边环境以及太阳活动对整个太阳系造成的影响，研究日冕的产生、活动及其喷发带来的后果，更精准地观测太阳爆发，了解整个“太空天气”及对地球造成的潜在影响。
目前科学家是采用欧洲“太阳与日光层观测台”（SOHO）卫星对“日冕物质抛射”等现象进行观测，虽然它能以10～15分钟一张的速度为太阳拍照，但是从这些平面图片上，科学家很难判断“日冕物质抛射” 是直奔地球还是远离地球而去，无法对其破坏性进行准确地观测。如果采用了“日地关系观测台”的话，双星将同时完成对太阳的拍摄，届时科学家得到的将是一幅立体的图像。人类对太阳的研究将因此而迈出巨大的一步。
“日地关系观测台”将第一次从地球轨道以外给人们传回太阳爆发时的三维图像，这些图像有助于天文学家对太阳风暴给航天员和通信卫星所造成的影响做出准确预测，极大地增进对太阳爆发的了解。它还将首次对日地之间的“太空天气”进行拍照与追踪，首次通过无线电三角定位法连续确定行星际激波的位置，以及首次对太阳活动进行拍照并在1天文单位的尺度内对高能粒子进行实地测量。
科学目标
除了展示太阳三维图像之外，“日地关系观测台”的另一项重要使命是提前预报太阳风暴。太阳风暴主要指太阳上发生的耀斑、“日冕物质抛射”等剧烈活动，属于太空天气的范畴，其中“日冕物质抛射”可以说是太阳系中最猛烈的爆发现象。每次爆发时，会从太阳大气喷发出10亿吨的带电粒子，这些粒子会以每小时数百万千米的速度席卷太空。
如果“日冕物质抛射”方向正对地球，太阳抛射出的数十亿吨的爆炸物不仅能在地球上产生极其壮观的极光，在地球大气层中引发强烈磁暴，还可能使地球上的通讯和导航卫星工作发生中断，甚至可能穿透保护地球的磁场，影响地球上的电力系统和手机网络。此外，喷射中的高能粒子不仅充满太阳系，而且可能有害于人类发射的航天器和在太空工作的航天员。1989年发生的一次太阳风暴曾使加拿大魁北克地区发生大面积停电，有600万居民的供电受到影响。2003年，类似情况再次发生，不仅使瑞典的电力供应中断，还损坏了多颗人造卫星及宇宙飞船。
“日地关系观测台”将探索太阳系内“日冕物质抛射”的缘起、演化及星际影响，进一步认识太阳，揭示太阳与地球的本质关系，了解太阳的稳定性对今后地球大气、气候和环境的影响，减轻“日冕物质抛射”和太阳耀斑对航天器和航天员的负面影响。
“日冕物质抛射”抵达地球一般需要两三天时间。科学家说，现有的太阳监测卫星可以在磁暴来临时提供一定程度的预警，但现阶段的预警通常都太迟或不够精确，一旦磁暴发生，损失极其惨重。有了“日地关系观测台”的跟踪观测，就可以将磁暴预警时间大幅缩短，“太空天气”预报水平将大为改观。
人类通过长期观测太阳发现，它会周期性地出现一种叫做“日冕物质抛射”的现象，即当其爆发时，大量等离子体物质会被从太阳低日冕抛出，并会扰动地球磁场。据估算，一次“日冕物质抛射”产生的能量，是地球上所有核武器所能产生能量的100倍。
目前，人类已研制出许多种类的太阳望远镜，但它们只能站在地球这个方面去观察太阳，并且都无法监测到直接射向地球的太阳风暴，因为太阳的强光总是掩盖了奔向地球的太阳风暴的光亮。而即将发射到远地轨道上的一对“日地关系观测台”，可组成能立体观看太阳与太阳向周围空间喷发的大量气团及带电粒子的巨型“双筒望远镜”，从不同的角度对太阳进行监测，测量和记录太阳耀斑、日冕物质抛射等活动，使人类看到立体的太阳，首次为人类展示太阳爆发时的全景三维图像，并前所未有地展现日地之间能量流动的独特景象。这将帮助人类更深入地了解和预测太阳的爆发现象及其引发的太空气候，乃至其他的行星。
通过“日地关系观测台”，人们能更好地从立体的角度去了解太阳日冕物质喷发现象，了解“日冕物质抛射”的原因和机制，搞清其穿越太阳大气传播的特性，提高对地球周围太阳风结构的认识。
“日地关系观测台”发射后，将以新视角捕捉高清晰度的太阳和太阳风三维结构图像，追踪从太阳到地球之间的能量与物质流动，使地球地磁暴的预警时间可大大提前。目前，“太空天气”预报水平如同20世纪50年代的天气预报。那时雨云都飘过头顶了，人们才知道可能要来飓风。现在，人们也只能在地球上观测到太阳风暴后，靠计算机模型来预测其是否或何时会影响地球。而“日地关系观测台”投入工作后，一旦发生太阳风暴，科学家就可以在第一时间观测到它的速度和方向，更早地发出警报，为防灾赢取更多时间，提前改变人造卫星的方向或降低电压，来预防可能的破坏。
携带的仪器
整个“日地关系观测台”计划耗资约5.2亿美元，是美国“日地探测器计划”的第3步，由美国戈达德航天中心负责，约翰·霍普金斯大学应用物理实验室设计并建造了2个航天器。应用物理实验室还对“日地关系观测台”进行指挥和控制，而美国航宇局将跟踪观测和接收数据，并确定它们的轨道和协调有关科研成果。
“日地关系观测台”设计寿命2年，主体结构是长2.7米、宽2.6米、高3.2米的长方体,尺寸如同高尔夫球推车，质量为642千克，用太阳能电池翼提供475瓦电量。每个观测台装有16台共4组探测仪器，由全球很多实验室的科学家研制，最后在约翰·霍普金森应用物理实验室完成组装。它们包括成像望远镜和太阳风粒子测量仪等设备，可以测量太阳风粒子，进行射电天文观测。
“日地关系日冕与日光层探测仪”（SECCHI），美国海军实验室研制。它由4台成像仪器和测量仪器组成，即1台远紫外成像仪（EUVI）、2台白光日冕仪（COR1、2）和1台日光层成像仪（HI）。这些仪器将观察日冕与日球，不到1秒就拍摄1幅太阳和太阳风的高清三维图像，捕捉“日冕物质抛射”的演变过程和对地球的影响。
“粒子与日冕物质抛射原位测量仪”（IMPACT），美国加州大学伯克利分校研制。它由7台成像仪器组成，即太阳风电子分析仪（SWEA）、磁力计（MAG）、太阳电子质子望远镜（SEPT）、低能望远镜（LET）、高能望远镜（HET）等。它们主要测量行星际空间的磁场结构以及与太阳磁场的关系等，建立太阳的全球磁流体动力学模型。
“等离子体与超灼热粒子成分分析仪”（PLASTIC），英国、德国和美国联合研制。它们用来对“日冕物质抛射”中等离子体的质子、重离子等取样，测量带电粒子的数量，分析其特性和成分。
“行星际射电暴追踪仪”（SWAVES），法国科研中心研制。它由2台高频与低频射电接收机、1台固定频率接收机和1台时域取样仪（TDS）组成，用来收集一些无线电波，这些无线电波是由“日冕物质抛射”的带电粒子穿过运动速度较慢的粒子时产生的冲击波形成的。
这2个“日地关系观测台”还携带了用于实时地给地面进行观测的科学家传输数据的无线电信标，这些数据将在美国科罗拉多州的国家太空海洋和大气环境研究中心进行处理分析，以提高太空天气预报的准确度。该项目的一位科学家表示，就像在对海洋观测中需要多个浮标才能测量洋流一样，在太空中也需要更多的观测卫星进行探测，只有这样才能使我们更好地了解整个太空。
为了获得太阳三维图像，美国为这对卫星设计了一套独特的发射系统，既利用月球的引力让两颗卫星像弹球一样加速，以方向相反、路线相似的轨道绕太阳飞行，以获得独特的太阳立体视角。在任务开始后一个月左右，这对卫星将一前一后，缓慢靠近月球。
进入绕日轨道后，虽然两颗探测卫星的轨道与地球轨道处于同一个平面上(太阳系大多数行星的轨道都处于这个面)，但它们的飞行轨道正好像照镜子一样对称，始终被定位在地球的“两侧”，一个在地球围绕太阳运行轨道的前面，被称为日地关系观测台-A ；另一个则在轨道的后面,名为日地关系观测台-B 。这是模仿人用2只眼观察事物的方法，从不同方位搜集太阳信息后将之传送回地球。科学家再综合原来地面实验室在地球表面和低地球轨道观测所得的数据，选取相关联的数据将之合成为三维的太阳图像，并且分析太阳辐射及其对地球影响的数据。通过它们的观测，科学家们可以首度构建太阳的三维视图。这些图像将显示出太阳风暴环境及其对太阳系内部的影响。这些数据对于理解太阳如何创造太空气候至关重要。
美国海军实验室的罗斯·霍华德介绍说，“日地关系观测台”计划非常独特，卫星能够“全面地”研究太阳和地球之间的关系。他还说：“这是我们第一次从光学上测量，看看一颗卫星上的仪器在另一颗卫星‘眼里’是怎样的。”
“日地关系观测台”是首个利用月球引力被送入完全不同绕日轨道的航天器。它们从靠近地球的轨道飞向刚刚超越月球的轨道。发射后约2个月，2个观测台都将围绕月球运动。约翰·霍普金斯大学应用物理实验室的任务执行人员将利用一次近距离飞越月球行动，进行轨道修正。月球引力将直接作用于其中1个观测台，使它先抵达预定轨道，也就是地球背部大约22°的地方，这个预定轨道比地球距离太阳还要远，运行1周花费387天。再过1个月，第2个观测台利用另一次月球引力开始围绕月球转动，并到达其预定轨道，也就是地球前面大约22°，这个轨道比地球距离太阳较近，运行一周要花费347天。这些机动最终使2个“日地关系观测台”都进入绕日轨道。经过2年的运行后，它们与地球的间隔将分别达到45°，即彼此间隔90°。
这项计划采用多种技术手段来预测“日冕物质抛射”的运动，并且对太阳内部活动构造出比较理想的模型。比如，科学家需要了解“日冕物质抛射”的运动速度有多快，相互之间有什么影响。还有一个目的是测试不同科技手段在预测“日冕物质抛射”运动特征时的不同效果，并建立一个较优良的反映太阳系变化的模型。