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在太空观望 空间天气与地球天气相遇之处

2018-06-14 10:00 来源:科技日报 李会超

  6月8日,美国国家航空航天局(NASA)发布消息称,原定于美国时间6月14日升空的电离层连接探索(ICON)卫星将推迟发射。按照计划,这颗卫星将对地球天气和空间天气相互作用的区域——电离层进行更深入的探测,使人类加深对它的了解。

  太阳活动影响下的电离层

  太阳物理是天文学研究的重要分支。一方面,太阳是距离我们最近的恒星,我们可以使用各类探测手段对太阳实施高分辨率、高灵敏度的观测,从而对恒星的形成、演化、内部结构和外层大气获得比较典型而深入的认识。另一方面,太阳物理的研究对服务人类自身的活动也有重要的意义:太阳活动会造成地球附近空间环境的显著变化,进而影响航天、通信、导航、供电等人类活动。而地球附近的电离层,则恰好处在了太阳活动所影响范围和地球大气变化所影响范围的交界处。

  在处于地面60—1000公里的范围内,在太阳极紫外和软X射线波段辐射的作用下,地球大气的分子和原子中的电子挣脱了离子的束缚而电离,大气中出现了带电荷的离子和电子,从而形成了电离层。

  电离层的变化在很大程度上是由太阳活动控制的。例如,在地球朝向太阳的日侧和背向太阳的夜侧,电离层的性质有着较大的不同。当太阳耀斑发生时,太阳极紫外和射电波段的辐射将会增强,对各个高度的电离层电子密度产生不同程度的影响,诱发电离层骚扰。

  当日冕物质抛射等太阳扰动事件到达地球,引发地磁暴等地球磁场剧烈变化的现象时,磁场变化产生的电场可以沿着磁力线传输到电离层所在位置,引发电离层的扰动。在太阳活动高年时,太阳上的黑子数达到11年活动周期中的极大值,耀斑和日冕物质抛射等现象的发生频率增大,电离层受到太阳活动影响的频率和程度也就更高。而在太阳活动低年,随着黑子数量的减少,太阳活动逐步趋于平静,电离层因太阳活动而出现的扰动也会随之减弱。

  由于电离层的等离子体频率覆盖了长波、中波和短波无线电通信频率范围,因此电离层变化对这些波段的无线电传播有很大的影响。GPS、北斗等导航系统的卫星导航信号从卫星到地面的传输时间与电离层的变化密切相关。一旦电离层参数发生变化,导航信号的传播时间延迟也会相应地发生变化,从而对定位导航的精度产生影响。

  四大利器共同寻找新规律

  随着对电离层研究的深入,科学家们发现电离层以下的中性大气变化也会对电离层产生影响。为了对电离层的变化规律有更深入的认识,NASA实施了ICON探测计划,希望通过发射一颗新的电离层探测卫星来获取对电离层变化的新认识。

  为了完成探测任务,ICON探测器上搭载了四台探测仪器,其中三台仪器对大气中的气辉现象进行遥感观测,而另一台仪器则对探测器所在位置的物理参数进行实地探测。

  气辉是中高层大气中的一种发光现象,其基本原理与我们耳熟能详的极光类似:地球大气的分子和原子吸收了太阳的电磁辐射后被激发到了较高的能态,之后从高能态到低能态跃迁的过程中就会发出波长一定的光线。与极光相比,气辉的亮度要暗弱很多,所以很难被人们的肉眼察觉,一般只能借助高灵敏度的科学仪器进行研究。然而,相比只能在南北两极附近观察到的极光,气辉的分布却更加广泛,在各个经纬度的中高层大气中都会出现。

  ICON探测器上负责探测大气速度的仪器为全球热层高分辨成像迈克尔逊干涉仪(MIGHTI)。

  以往的太空探测任务中,类似仪器需要调整组件间的距离,来对不同波长的信号进行逐个的探测。而MIGHTI采用的新设计使其可以同时探测不同波长的光信号,精度也获得了相当的提升。对于大气中的风场探测,MIGHTI的探测经度可达10英里/小时(约16公里/小时)。

  ICON上搭载的远紫外光谱仪(FUV)通过对夜间发生的气辉现象的探测,确定气辉所在位置的密度信息。这台仪器采用了全新的图像处理技术,来增加图像的清晰度。ICON与地面通信的带宽使得FUV每12秒才能下传一幅观测图像。然而,在12秒的过程中,探测器已经在轨道上飞速移动了数百公里。科学家们感兴趣的气辉现象的空间尺度一般在几公里左右,如果FUV仪器每12秒才获取一幅观测图像,那么这些现象将无法分辨。为此,FUV在实际工作中,每秒会拍摄8幅图像,在12秒的时间内总共获取96幅图像。通过卫星上搭载的计算机,ICON会根据每幅图像生成时卫星所处的具体位置对96幅图像进行修正融合,最终生成一幅高分辨率图像传回地球。当卫星观测的区域处于日光照射下的半天时,与FUV类似的探测任务则由ICON的另一台极紫外光谱仪(EUV)来完成。

  从宏观到微观的多研究视角

  在ICON在轨探测的过程中,另一台名为全球尺度臂盘观测器(GOLD)的仪器将会和它一起,帮助科学家们进一步探索电离层的奥秘。GOLD并非一台独立的科学探测卫星,而是搭载在一颗商业卫星上的科学仪器。搭载GOLD的卫星定轨于西半球上空的地球同步轨道,高度约为35000公里。在这里,GOLD每半小时就能够提供一幅电离层和中高层大气全球变化的宏观图像。而ICON则工作于近地轨道,轨道高度约为560公里,可以对电离层和中高层大气中的现象进行精细探测。这样,GOLD和ICON为科学家们提供了从宏观到微观,从全球到局地的多研究视角,有望产生新的研究突破。

  (作者系中科院国家空间中心博士生)

(责任编辑:王蔚)

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