□ 槐欽

帕克號(hào)：向著太陽(yáng)進(jìn)發(fā)

□ 槐欽

▲2014年10月27日爆發(fā)的太陽(yáng)耀斑

據(jù)媒體報(bào)道，美國(guó)宇航局5月31日在芝加哥大學(xué)威廉·?？斯匮芯恐行男?，計(jì)劃于2018年夏天向人類既熟悉又陌生的星球——太陽(yáng)發(fā)射一個(gè)高約3米、身穿12厘米厚碳復(fù)合保護(hù)罩的太陽(yáng)探測(cè)器。這個(gè)被命名為“帕克號(hào)”的新型探測(cè)器將在距離太陽(yáng)表面600萬(wàn)千米的外大氣層軌道上觀測(cè)日冕等的活動(dòng)情況。這將是美國(guó)宇航局第一個(gè)飛入日冕的探測(cè)器，也是人類首次使用航天器較近距離地接觸和觀察太陽(yáng)，以破解日冕與太陽(yáng)風(fēng)等的秘密。

太陽(yáng)的組成和特征

太陽(yáng)是銀河系中的恒星之一，位于太陽(yáng)系的中心，八大行星以及眾多的小天體都圍繞在它的周圍運(yùn)轉(zhuǎn)不息。它又發(fā)出光和熱，溫暖著每一個(gè)成員。地球上能有生機(jī)勃勃的景象，也是因?yàn)閺奶?yáng)那里獲取了足夠的能量。太陽(yáng)的直徑為139.2萬(wàn)千米，是地球的109倍；其質(zhì)量近2000億億億噸，是地球的33萬(wàn)倍。太陽(yáng)沒(méi)有固態(tài)的星體或核心，從里到外全部由熾熱的氣體組成。它由太陽(yáng)內(nèi)部和太陽(yáng)大氣層兩大部分組成。太陽(yáng)內(nèi)部主要成分是氫，占總質(zhì)量的78.4%，其次是氦，占19.8%，此外還有碳、氮、氧、氖以及鎳、鐵、鎂、鋁等各種金屬。大氣層從內(nèi)到外又分為光球?qū)樱ㄒ卜Q日光層）、色球?qū)雍腿彰崛齻€(gè)層次。人們?nèi)庋劭吹降奶?yáng)光面就是光球?qū)?，厚?00千米左右，溫度近6000攝氏度。色球?qū)佑蔁o(wú)數(shù)燃燒著的火舌組成，各處厚度不一，平均厚度達(dá)幾千千米，溫度由下到上約為5000～30000攝氏度。該層產(chǎn)生一種能量爆發(fā)現(xiàn)象，叫做耀斑。日冕厚度達(dá)到幾百萬(wàn)千米以上，溫度可達(dá)100萬(wàn)攝氏度，但其密度很小，平均密度不到每立方厘米10-14克，其光度微弱，只有光球的百萬(wàn)分之一，觀察起來(lái)非常困難。這正是發(fā)射探測(cè)器就近對(duì)其進(jìn)行觀測(cè)的緣由所在。

太陽(yáng)中心的溫度高達(dá)1500萬(wàn)攝氏度，為熱核反應(yīng)創(chuàng)造了條件。太陽(yáng)上存在著大量的氫，氫原子核由一個(gè)質(zhì)子組成，四個(gè)氫核即四個(gè)質(zhì)子聚合在一起形成一個(gè)氦核，并釋放出多余的能量。這種熱核反應(yīng)產(chǎn)生的巨大能量被釋放出來(lái)，形成太陽(yáng)的光和熱。一克氫聚變成氦時(shí)，放出1500億卡熱能，可把1500噸水從0加熱到100攝氏度。太陽(yáng)上每秒鐘約有6億噸氫進(jìn)行熱核聚變反應(yīng)，釋放出90億億億卡的熱量，足見(jiàn)其釋放能量之大了。

人類在兩千多年前就發(fā)現(xiàn)太陽(yáng)的表面上有黑子，引起古人產(chǎn)生了多種猜想。自從17世紀(jì)望遠(yuǎn)鏡出現(xiàn)之后，科學(xué)家用其不斷觀察太陽(yáng)，人們才逐漸認(rèn)識(shí)到黑子是太陽(yáng)表面上的一種氣體活動(dòng)現(xiàn)象，乃系一些溫度較低的區(qū)域。黑子表面溫度約4500攝氏度，比光球?qū)拥?000多攝氏度。太陽(yáng)黑子有大小之別，小的直徑二三千千米，只有幾天或數(shù)小時(shí)就消失，大的直徑超越10萬(wàn)千米，可維持幾十天甚至一年多的時(shí)間。黑子多出現(xiàn)在日面南北緯5度至25度之間，且以11年為一次盛衰變化周期。

同時(shí)，太陽(yáng)還不斷地噴出高速高溫帶電粒子流，形成吹遍整個(gè)太陽(yáng)系的強(qiáng)勁的超音速氣流，稱為太陽(yáng)風(fēng)。由于地球大氣層的阻攔和磁場(chǎng)的屏蔽，太陽(yáng)風(fēng)不能直接到達(dá)地面。在正常情況下，太陽(yáng)連續(xù)不斷地向外噴射能量較低的平靜太陽(yáng)風(fēng)，它是由質(zhì)子和電子組成的等離子體，平均速度為每秒400千米。在太陽(yáng)耀斑活動(dòng)之時(shí)，它拋出主要由氫核和少量氦核組成的粒子流，叫做擾動(dòng)太陽(yáng)風(fēng)，溫度可達(dá)幾百萬(wàn)攝氏度，速度為每秒1000千米～2000千米。日冕變幻、黑子時(shí)現(xiàn)、太陽(yáng)風(fēng)勁吹，這都是太陽(yáng)磁場(chǎng)導(dǎo)致太陽(yáng)大氣活動(dòng)的結(jié)果。

除了普遍磁場(chǎng)外，日面上還有以11年為周期而變化的與太陽(yáng)活動(dòng)密切相關(guān)的局部磁場(chǎng)。當(dāng)局部磁場(chǎng)強(qiáng)度達(dá)到極大值時(shí)，就到了太陽(yáng)活動(dòng)峰年，然后它逐漸減弱，太陽(yáng)活動(dòng)也逐步衰落下去。

為了逐步弄清太陽(yáng)活動(dòng)的機(jī)理，人類在進(jìn)入航天時(shí)代以后，在繼續(xù)使用各種望遠(yuǎn)鏡對(duì)日進(jìn)行觀察的同時(shí)，還發(fā)射多個(gè)航天器對(duì)其進(jìn)行探測(cè)。

▲ 帕克號(hào)太陽(yáng)探測(cè)器

▲ 尤利西斯號(hào)太陽(yáng)探測(cè)器

對(duì)太陽(yáng)已進(jìn)行的航天探測(cè)

太陽(yáng)系軌道中太陽(yáng)是行星之王，其活動(dòng)與人類生活息息相關(guān)。太陽(yáng)活動(dòng)高峰年時(shí)，人被太陽(yáng)風(fēng)暴襲擊一次，相當(dāng)于做多次X射線透視。雖然太陽(yáng)烈焰的熾熱和黑子的神秘令人神往，但它的高溫又阻止著探測(cè)器的親近。自上世紀(jì)60年代以來(lái)，世界多國(guó)都不遺余力地發(fā)射了各類太陽(yáng)探測(cè)器，如蘇聯(lián)的質(zhì)子號(hào)、宇宙號(hào)衛(wèi)星，美國(guó)的太陽(yáng)神號(hào)、先驅(qū)者號(hào)、旅行者號(hào)探測(cè)器等，都肩負(fù)著觀測(cè)太陽(yáng)的使命。

圍繞地球運(yùn)行的人造衛(wèi)星，在太空中通過(guò)觀測(cè)，方使科學(xué)家們了解到太陽(yáng)風(fēng)乃是太陽(yáng)周圍帶電氣體強(qiáng)大的電磁波釋放形成的。其大部分為氫氣的帶電氣體，從太陽(yáng)向外部各個(gè)方向噴出。推動(dòng)太陽(yáng)風(fēng)的是強(qiáng)電磁波，它能穿越太陽(yáng)大氣層的等離子氣體即日冕，將太陽(yáng)表面的能量轉(zhuǎn)移給太陽(yáng)風(fēng)。人類除了利用人造地球衛(wèi)星、空間站、深空探測(cè)器、月球觀測(cè)站以及運(yùn)行在日地連線平動(dòng)點(diǎn)垂直面暈軌道上的航天器觀察太陽(yáng)獲得數(shù)據(jù)資料外，還發(fā)射攜帶多種科學(xué)儀器的專用太陽(yáng)探測(cè)器更清楚地對(duì)其進(jìn)行觀察，并獲得了一定成果。其突出事例就是太陽(yáng)神號(hào)和尤利西斯號(hào)探測(cè)器。

由美國(guó)和西德研制的太陽(yáng)神1號(hào)和2號(hào)兩個(gè)探測(cè)器，分別于1974年12月10日和1976年1月15日發(fā)射升空，它們都裝有等離子體探測(cè)器、磁通門式磁強(qiáng)計(jì)、線圈式磁強(qiáng)計(jì)、射電探測(cè)儀、空間望遠(yuǎn)鏡、電子探測(cè)儀、黃道光光度計(jì)和微流星分析器八種科學(xué)儀器，主要用來(lái)研究太陽(yáng)、太陽(yáng)與行星關(guān)系和水星軌道以內(nèi)的近日行星際空間，探測(cè)太陽(yáng)風(fēng)、行星際磁場(chǎng)、宇宙線、微流星體等。太陽(yáng)神1號(hào)到達(dá)近日點(diǎn)為0.309個(gè)天文單位（1天文單位約1.5億千米）的日心軌道，而于1976年4月17日抵達(dá)該點(diǎn)的太陽(yáng)神2號(hào)更是創(chuàng)造了0.29個(gè)天文單位的距離日心記錄。這兩個(gè)姊妹探測(cè)器的近日點(diǎn)剛好都在水星的繞日軌道0.387個(gè)天文單位之內(nèi)。

旅游產(chǎn)業(yè)作為城市經(jīng)濟(jì)發(fā)展的新增長(zhǎng)點(diǎn)，越來(lái)越多的城市加大旅游基礎(chǔ)設(shè)施投資試圖吸引更多的游客從而推動(dòng)經(jīng)濟(jì)發(fā)展。為了更好地衡量景區(qū)周邊交通狀況，建立景區(qū)可達(dá)性模型，并根據(jù)模型計(jì)算結(jié)果發(fā)現(xiàn)影響景區(qū)可達(dá)性的關(guān)鍵因素。

1972年 3月 2日、1973年 4月6日、1977年8月20日和9月5日，美國(guó)先后發(fā)射了先驅(qū)者10號(hào)、11號(hào)和旅行者2號(hào)、1號(hào)探測(cè)器，它們?cè)谔綔y(cè)外行星的同時(shí)，也都肩負(fù)著觀測(cè)太陽(yáng)的使命，并發(fā)回大量有關(guān)太陽(yáng)風(fēng)和星際磁場(chǎng)的測(cè)量數(shù)據(jù)以及變化情況。

1990年10月6日，美國(guó)用發(fā)現(xiàn)號(hào)航天飛機(jī)發(fā)射了尤利西斯號(hào)太陽(yáng)探測(cè)器，這個(gè)重385千克用钚核反應(yīng)堆做動(dòng)力的探測(cè)器，第一次全方位地觀測(cè)了太陽(yáng)，把對(duì)太陽(yáng)的探測(cè)活動(dòng)推向一個(gè)新的階段。

“尤利西斯號(hào)”載有總重55千克的10種科學(xué)儀器，設(shè)計(jì)壽命5年，主要任務(wù)是探測(cè)研究太陽(yáng)風(fēng)的特性、太陽(yáng)與太陽(yáng)風(fēng)界面的結(jié)構(gòu)、日光層磁場(chǎng)、太陽(yáng)射電爆發(fā)等，以加深人類對(duì)太陽(yáng)及其周圍環(huán)境特性的認(rèn)識(shí)。

1994年5月至9月，“尤利西斯號(hào)”飛越太陽(yáng)南極區(qū)上空，1995年2月，它從近日點(diǎn)穿越黃道面，1995年5月至9月，它飛越太陽(yáng)北極區(qū)上空。此后，它又奔向遠(yuǎn)日點(diǎn)，并于1998年2月再次穿越黃道面。由此可見(jiàn)，它沿工作橢圓軌道飛行一圈所用的時(shí)間為6年，這使它成為人類成功發(fā)射的第一個(gè)完全在黃道面外飛行的太陽(yáng)探測(cè)器。按照原定的設(shè)計(jì)壽命，“尤利西斯號(hào)”在1995年9月飛掠太陽(yáng)北極區(qū)上空之后，即應(yīng)停止工作，結(jié)束探測(cè)使命。但令人驚喜的是，它繼續(xù)在工作軌道上正常飛行。這樣一來(lái)，它于2000年和2001年依次第二次飛越太陽(yáng)南、北極上空，并于2006年和2007年先后第三次飛越太陽(yáng)南、北極上空，以超越兩倍的工作時(shí)間和探測(cè)研究完成了肩負(fù)的任務(wù)。最終于美國(guó)東部時(shí)間2009年6月30日16時(shí)15分完全關(guān)閉了信號(hào)接收機(jī)和發(fā)射機(jī)，至此“尤利西斯號(hào)”已在太空遨游了18年9個(gè)月的時(shí)間，行程約90億千米。

▲ 太陽(yáng)神2號(hào)探測(cè)器

▲ 尤利西斯號(hào)探測(cè)器由航天飛機(jī)帶入太空后釋放

▲ 先驅(qū)者10號(hào)探測(cè)器

即將發(fā)射的新型太陽(yáng)探測(cè)器

美國(guó)宇航局計(jì)劃明年夏天利用其推力最大的德?tīng)査?4型火箭在位于佛羅里達(dá)州的肯尼迪航天中心向太陽(yáng)發(fā)射帕克號(hào)新型探測(cè)器。

“帕克號(hào)”由美國(guó)約翰·霍普金斯大學(xué)應(yīng)用物理學(xué)實(shí)驗(yàn)室設(shè)計(jì)制造，耗資15億美元，重685千克，大小近似于一輛小汽車。它升空后大概需要近7年時(shí)間，經(jīng)多次飛越金星才能抵達(dá)太陽(yáng)附近，將在距離太陽(yáng)日光層表面600萬(wàn)千米上空的軌道上觀測(cè)日冕活動(dòng)，開(kāi)啟人類探測(cè)器首次親近太陽(yáng)的旅程，以進(jìn)一步了解太陽(yáng)風(fēng)等奧秘。

太陽(yáng)磁場(chǎng)周圍存在許多未解之謎。主要的一個(gè)就是為什么太陽(yáng)每11年會(huì)轉(zhuǎn)換一次磁性，從幾乎沒(méi)有太陽(yáng)黑子的虛弱體轉(zhuǎn)變成會(huì)噴射太陽(yáng)耀斑的怪物，隨后在再次轉(zhuǎn)換磁性之前變回虛弱體。太陽(yáng)探測(cè)器肩負(fù)任務(wù)的一項(xiàng)重要內(nèi)容就是探測(cè)磁場(chǎng)及太陽(yáng)的其他部分以預(yù)測(cè)下一次噴向地球的太陽(yáng)耀斑將發(fā)生于什么時(shí)候。強(qiáng)烈的太陽(yáng)耀斑會(huì)損壞衛(wèi)星及輸電線路。

上述600萬(wàn)千米的近日軌道表明，“帕克號(hào)”將直接飛入太陽(yáng)大氣最外層的日冕層，開(kāi)創(chuàng)人類航天器首次親近太陽(yáng)的先例。當(dāng)探測(cè)器抵達(dá)太陽(yáng)近日點(diǎn)時(shí)，在600萬(wàn)千米的這個(gè)距離上太陽(yáng)會(huì)比從地球上看上去大23倍，亮度和熱量則會(huì)高出500倍。

這是人類第一次可以觸摸、品味、嗅聞我們的太陽(yáng)。太陽(yáng)表面的溫度高達(dá)5500攝氏度，探測(cè)器所處的軌道溫度也在1000攝氏度以上。為此，科學(xué)家們將為探測(cè)器穿上厚達(dá)12厘米的碳復(fù)合外衣，可承受高達(dá)1400攝氏度的高溫和輻射。在最靠近太陽(yáng)的地方以時(shí)速72萬(wàn)千米的速度飛行，比已經(jīng)飛出太陽(yáng)系的“旅行者1號(hào)”還要快3倍，這將是航天事業(yè)有史以來(lái)飛行速度最快的空間飛行器，并承受此前沒(méi)有任何航天器曾經(jīng)承受過(guò)的高輻射風(fēng)暴。

“帕克號(hào)”攜帶的科學(xué)儀器有一臺(tái)磁力計(jì)、一臺(tái)等離子波探測(cè)器、一臺(tái)塵埃探測(cè)器、一些電子和離子分析儀，都將保持在地球室溫的環(huán)境下，主要用以追溯太陽(yáng)風(fēng)的起源，以及探究太陽(yáng)風(fēng)是如何在日冕層實(shí)現(xiàn)加速的。同時(shí)，最讓科學(xué)家們興奮的是它上面還將攜帶一個(gè)半球成像儀，雖是一臺(tái)望遠(yuǎn)鏡，但卻能夠像醫(yī)學(xué)CAT掃描儀一樣拍攝出太陽(yáng)日冕的三維圖像，讓人類看到其內(nèi)部結(jié)構(gòu)。

當(dāng)太陽(yáng)發(fā)生強(qiáng)烈活動(dòng)，造成大量的帶電粒子流所形成的太陽(yáng)風(fēng)就會(huì)吹向地球的南北極，在兩極的電離層形成美麗的極光，也會(huì)讓地球電磁場(chǎng)發(fā)生變化。一直以來(lái)，科學(xué)家們無(wú)法準(zhǔn)確預(yù)報(bào)太空天氣，而這項(xiàng)最新的探測(cè)任務(wù)可以幫助預(yù)測(cè)有關(guān)太陽(yáng)的重大事件。日冕層的不穩(wěn)定性導(dǎo)致發(fā)生太陽(yáng)耀斑和高磁物質(zhì)噴射現(xiàn)象。當(dāng)這些物質(zhì)抵達(dá)地球大氣層時(shí)，便會(huì)引起太空天氣變化，改變地球磁場(chǎng)和輻射水平。由太陽(yáng)釋放出來(lái)的太陽(yáng)風(fēng)以每小時(shí)超過(guò)100萬(wàn)千米的速度吹過(guò)地球，這些高速帶電粒子流會(huì)干擾地球的磁場(chǎng)，并向輻射帶注入能量。科學(xué)家們認(rèn)為，太陽(yáng)超級(jí)風(fēng)暴可能損毀像電網(wǎng)、通信衛(wèi)星這樣的脆弱基礎(chǔ)設(shè)施，但如果這些基礎(chǔ)設(shè)施的管理方能夠事先得到太空天氣變化的預(yù)警信息，及時(shí)采取緊急防護(hù)措施，這些損失可以降低?！芭量颂?hào)”獲得的觀察資料與研究成果將會(huì)在這方面為人類提供幫助。

科學(xué)家們計(jì)劃，“帕克號(hào)”在長(zhǎng)達(dá)7年的探測(cè)任務(wù)中，7次借助金星之力飛進(jìn)日冕層執(zhí)行探測(cè)任務(wù)，預(yù)計(jì)2024年12月靠近太陽(yáng)，它從太陽(yáng)近處飛過(guò)的次數(shù)將達(dá)到24次。金星的引力可以輕微改變探測(cè)器軌道讓它一次比一次更深入地潛進(jìn)太陽(yáng)大氣層搜集太陽(yáng)風(fēng)和太陽(yáng)磁場(chǎng)的第一手資料，進(jìn)而獲得前所未有的研究成果和結(jié)論。這次探日任務(wù)預(yù)計(jì)于2025年6月結(jié)束。

除了美國(guó)宇航局，歐空局也在準(zhǔn)備一項(xiàng)太陽(yáng)探測(cè)計(jì)劃，但其探測(cè)器抵達(dá)日光層表面的距離不會(huì)像“帕克號(hào)”那樣近。歐空局的太陽(yáng)軌道探測(cè)器也將在肯尼迪航天中心發(fā)射，但發(fā)射時(shí)間不會(huì)早于2018年10月。這兩項(xiàng)計(jì)劃將相互協(xié)同，從不同位置對(duì)相同事件進(jìn)行互補(bǔ)性觀測(cè)，以便獲得更多更好的效果?！?/p>

▲ 旅行者號(hào)探測(cè)器