帕克號：向著太陽進發(fā)

□ 槐欽

帕克號：向著太陽進發(fā)

□ 槐欽

▲2014年10月27日爆發(fā)的太陽耀斑

據(jù)媒體報道，美國宇航局5月31日在芝加哥大學(xué)威廉·?？斯匮芯恐行男迹媱澯?018年夏天向人類既熟悉又陌生的星球——太陽發(fā)射一個高約3米、身穿12厘米厚碳復(fù)合保護罩的太陽探測器。這個被命名為“帕克號”的新型探測器將在距離太陽表面600萬千米的外大氣層軌道上觀測日冕等的活動情況。這將是美國宇航局第一個飛入日冕的探測器，也是人類首次使用航天器較近距離地接觸和觀察太陽，以破解日冕與太陽風(fēng)等的秘密。

太陽的組成和特征

太陽是銀河系中的恒星之一，位于太陽系的中心，八大行星以及眾多的小天體都圍繞在它的周圍運轉(zhuǎn)不息。它又發(fā)出光和熱，溫暖著每一個成員。地球上能有生機勃勃的景象，也是因為從太陽那里獲取了足夠的能量。太陽的直徑為139.2萬千米，是地球的109倍；其質(zhì)量近2000億億億噸，是地球的33萬倍。太陽沒有固態(tài)的星體或核心，從里到外全部由熾熱的氣體組成。它由太陽內(nèi)部和太陽大氣層兩大部分組成。太陽內(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€層次。人們?nèi)庋劭吹降奶柟饷婢褪枪馇驅(qū)?，厚?00千米左右，溫度近6000攝氏度。色球?qū)佑蔁o數(shù)燃燒著的火舌組成，各處厚度不一，平均厚度達幾千千米，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。日冕厚度達到幾百萬千米以上，溫度可達100萬攝氏度，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，只有光球的百萬分之一，觀察起來非常困難。這正是發(fā)射探測器就近對其進行觀測的緣由所在。

太陽中心的溫度高達1500萬攝氏度，為熱核反應(yīng)創(chuàng)造了條件。太陽上存在著大量的氫，氫原子核由一個質(zhì)子組成，四個氫核即四個質(zhì)子聚合在一起形成一個氦核，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，形成太陽的光和熱。一克氫聚變成氦時，放出1500億卡熱能，可把1500噸水從0加熱到100攝氏度。太陽上每秒鐘約有6億噸氫進行熱核聚變反應(yīng)，釋放出90億億億卡的熱量，足見其釋放能量之大了。

人類在兩千多年前就發(fā)現(xiàn)太陽的表面上有黑子，引起古人產(chǎn)生了多種猜想。自從17世紀望遠鏡出現(xiàn)之后，科學(xué)家用其不斷觀察太陽，人們才逐漸認識到黑子是太陽表面上的一種氣體活動現(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)小時就消失，大的直徑超越10萬千米，可維持幾十天甚至一年多的時間。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，太陽還不斷地噴出高速高溫帶電粒子流，形成吹遍整個太陽系的強勁的超音速氣流，稱為太陽風(fēng)。由于地球大氣層的阻攔和磁場的屏蔽，太陽風(fēng)不能直接到達地面。在正常情況下，太陽連續(xù)不斷地向外噴射能量較低的平靜太陽風(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。在太陽耀斑活動之時，它拋出主要由氫核和少量氦核組成的粒子流，叫做擾動太陽風(fēng)，溫度可達幾百萬攝氏度，速度為每秒1000千米～2000千米。日冕變幻、黑子時現(xiàn)、太陽風(fēng)勁吹，這都是太陽磁場導(dǎo)致太陽大氣活動的結(jié)果。

除了普遍磁場外，日面上還有以11年為周期而變化的與太陽活動密切相關(guān)的局部磁場。當(dāng)局部磁場強度達到極大值時，就到了太陽活動峰年，然后它逐漸減弱，太陽活動也逐步衰落下去。

為了逐步弄清太陽活動的機理，人類在進入航天時代以后，在繼續(xù)使用各種望遠鏡對日進行觀察的同時，還發(fā)射多個航天器對其進行探測。

▲ 帕克號太陽探測器

▲ 尤利西斯號太陽探測器

對太陽已進行的航天探測

太陽系軌道中太陽是行星之王，其活動與人類生活息息相關(guān)。太陽活動高峰年時，人被太陽風(fēng)暴襲擊一次，相當(dāng)于做多次X射線透視。雖然太陽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器的親近。自上世紀60年代以來，世界多國都不遺余力地發(fā)射了各類太陽探測器，如蘇聯(lián)的質(zhì)子號、宇宙號衛(wèi)星，美國的太陽神號、先驅(qū)者號、旅行者號探測器等，都肩負著觀測太陽的使命。

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

由美國和西德研制的太陽神1號和2號兩個探測器，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器、磁通門式磁強計、線圈式磁強計、射電探測儀、空間望遠鏡、電子探測儀、黃道光光度計和微流星分析器八種科學(xué)儀器，主要用來研究太陽、太陽與行星關(guān)系和水星軌道以內(nèi)的近日行星際空間，探測太陽風(fēng)、行星際磁場、宇宙線、微流星體等。太陽神1號到達近日點為0.309個天文單位（1天文單位約1.5億千米）的日心軌道，而于1976年4月17日抵達該點的太陽神2號更是創(chuàng)造了0.29個天文單位的距離日心記錄。這兩個姊妹探測器的近日點剛好都在水星的繞日軌道0.387個天文單位之內(nèi)。

旅游產(chǎn)業(yè)作為城市經(jīng)濟發(fā)展的新增長點，越來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經(jīng)濟發(fā)展。為了更好地衡量景區(qū)周邊交通狀況，建立景區(qū)可達性模型，并根據(jù)模型計算結(jié)果發(fā)現(xiàn)影響景區(qū)可達性的關(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，美國先后發(fā)射了先驅(qū)者10號、11號和旅行者2號、1號探測器，它們在探測外行星的同時，也都肩負著觀測太陽的使命，并發(fā)回大量有關(guān)太陽風(fēng)和星際磁場的測量數(shù)據(jù)以及變化情況。

1990年10月6日，美國用發(fā)現(xiàn)號航天飛機發(fā)射了尤利西斯號太陽探測器，這個重385千克用钚核反應(yīng)堆做動力的探測器，第一次全方位地觀測了太陽，把對太陽的探測活動推向一個新的階段。

“尤利西斯號”載有總重55千克的10種科學(xué)儀器，設(shè)計壽命5年，主要任務(wù)是探測研究太陽風(fēng)的特性、太陽與太陽風(fēng)界面的結(jié)構(gòu)、日光層磁場、太陽射電爆發(fā)等，以加深人類對太陽及其周圍環(huán)境特性的認識。

1994年5月至9月，“尤利西斯號”飛越太陽南極區(qū)上空，1995年2月，它從近日點穿越黃道面，1995年5月至9月，它飛越太陽北極區(qū)上空。此后，它又奔向遠日點，并于1998年2月再次穿越黃道面。由此可見，它沿工作橢圓軌道飛行一圈所用的時間為6年，這使它成為人類成功發(fā)射的第一個完全在黃道面外飛行的太陽探測器。按照原定的設(shè)計壽命，“尤利西斯號”在1995年9月飛掠太陽北極區(qū)上空之后，即應(yīng)停止工作，結(jié)束探測使命。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，它于2000年和2001年依次第二次飛越太陽南、北極上空，并于2006年和2007年先后第三次飛越太陽南、北極上空，以超越兩倍的工作時間和探測研究完成了肩負的任務(wù)。最終于美國東部時間2009年6月30日16時15分完全關(guān)閉了信號接收機和發(fā)射機，至此“尤利西斯號”已在太空遨游了18年9個月的時間，行程約90億千米。

▲ 太陽神2號探測器

▲ 尤利西斯號探測器由航天飛機帶入太空后釋放

▲ 先驅(qū)者10號探測器

即將發(fā)射的新型太陽探測器

美國宇航局計劃明年夏天利用其推力最大的德爾他-4型火箭在位于佛羅里達州的肯尼迪航天中心向太陽發(fā)射帕克號新型探測器。

“帕克號”由美國約翰·霍普金斯大學(xué)應(yīng)用物理學(xué)實驗室設(shè)計制造，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年時間，經(jīng)多次飛越金星才能抵達太陽附近，將在距離太陽日光層表面600萬千米上空的軌道上觀測日冕活動，開啟人類探測器首次親近太陽的旅程，以進一步了解太陽風(fēng)等奧秘。

太陽磁場周圍存在許多未解之謎。主要的一個就是為什么太陽每11年會轉(zhuǎn)換一次磁性，從幾乎沒有太陽黑子的虛弱體轉(zhuǎn)變成會噴射太陽耀斑的怪物，隨后在再次轉(zhuǎn)換磁性之前變回虛弱體。太陽探測器肩負任務(wù)的一項重要內(nèi)容就是探測磁場及太陽的其他部分以預(yù)測下一次噴向地球的太陽耀斑將發(fā)生于什么時候。強烈的太陽耀斑會損壞衛(wèi)星及輸電線路。

上述600萬千米的近日軌道表明，“帕克號”將直接飛入太陽大氣最外層的日冕層，開創(chuàng)人類航天器首次親近太陽的先例。當(dāng)探測器抵達太陽近日點時，在600萬千米的這個距離上太陽會比從地球上看上去大23倍，亮度和熱量則會高出500倍。

這是人類第一次可以觸摸、品味、嗅聞我們的太陽。太陽表面的溫度高達5500攝氏度，探測器所處的軌道溫度也在1000攝氏度以上。為此，科學(xué)家們將為探測器穿上厚達12厘米的碳復(fù)合外衣，可承受高達1400攝氏度的高溫和輻射。在最靠近太陽的地方以時速72萬千米的速度飛行，比已經(jīng)飛出太陽系的“旅行者1號”還要快3倍，這將是航天事業(yè)有史以來飛行速度最快的空間飛行器，并承受此前沒有任何航天器曾經(jīng)承受過的高輻射風(fēng)暴。

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

當(dāng)太陽發(fā)生強烈活動，造成大量的帶電粒子流所形成的太陽風(fēng)就會吹向地球的南北極，在兩極的電離層形成美麗的極光，也會讓地球電磁場發(fā)生變化。一直以來，科學(xué)家們無法準確預(yù)報太空天氣，而這項最新的探測任務(wù)可以幫助預(yù)測有關(guān)太陽的重大事件。日冕層的不穩(wěn)定性導(dǎo)致發(fā)生太陽耀斑和高磁物質(zhì)噴射現(xiàn)象。當(dāng)這些物質(zhì)抵達地球大氣層時，便會引起太空天氣變化，改變地球磁場和輻射水平。由太陽釋放出來的太陽風(fēng)以每小時超過100萬千米的速度吹過地球，這些高速帶電粒子流會干擾地球的磁場，并向輻射帶注入能量?？茖W(xué)家們認為，太陽超級風(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，及時采取緊急防護措施，這些損失可以降低?！芭量颂枴鲍@得的觀察資料與研究成果將會在這方面為人類提供幫助。

科學(xué)家們計劃，“帕克號”在長達7年的探測任務(wù)中，7次借助金星之力飛進日冕層執(zhí)行探測任務(wù)，預(yù)計2024年12月靠近太陽，它從太陽近處飛過的次數(shù)將達到24次。金星的引力可以輕微改變探測器軌道讓它一次比一次更深入地潛進太陽大氣層搜集太陽風(fēng)和太陽磁場的第一手資料，進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)計于2025年6月結(jié)束。

除了美國宇航局，歐空局也在準備一項太陽探測計劃，但其探測器抵達日光層表面的距離不會像“帕克號”那樣近。歐空局的太陽軌道探測器也將在肯尼迪航天中心發(fā)射，但發(fā)射時間不會早于2018年10月。這兩項計劃將相互協(xié)同，從不同位置對相同事件進行互補性觀測，以便獲得更多更好的效果?！?/p>

▲ 旅行者號探測器