太阳为什么每隔11年发一次“脾气”?
2020-02-29 21:31

太阳为什么每隔11年发一次“脾气”?

本文来自微信公众号:造就(ID:xingshu100),编辑:黄一成


2020年2月10日,由欧洲空间局(以下简称“欧空局”)制造、1800公斤重的“太阳轨道器”(Solar Orbiter)航天器,搭乘阿特拉斯五号火箭,从美国卡纳维拉尔角空军基地41号航天发射场腾空而起。


太阳轨道器在升空53分钟后按计划与火箭分离。几分钟后,任务小组与飞船成功建立了通信。这标志着火箭发射取得了成功。


阿特拉斯五号火箭和太阳轨道器在41号航天发射场(SLC-41)上


在人类历史上,太阳崇拜是一个颇为常见的主题,这是有原因的。这颗黄色的矮恒星是这个行星大家庭的一家之主,是我们的宇宙近邻中影响力最大的天体,以及地球上所有生命的“助产士”。


来自人类的尊敬和崇拜是它应得的。


然而,太阳仍是太阳系中得到探索最少的天体之一。毕竟,你很难去研究一个巨大无比的聚变反应堆,一不小心,它就能把你的视网膜灼穿,更别提发射宇宙飞船近距离拥抱这团火焰了。


太阳轨道器是欧洲航天局和美国航天局合作的产物。这次任务预计将返回前所未有的数据和图像,让人类第一次看到太阳的极地地区。


欧空局的科学主管Günther Hasinger说:“这次任务令人难以置信地兴奋,它对科学意义重大,我们都希望它进展顺利。”


太阳轨道器的绕日之旅


但其实,太阳轨道器需要在太空中飞行逾5年时间,才能首次“看到”太阳极地区域。


2019年12月26日,太阳轨道器将飞越金星,利用引力弹弓效应,借助金星加速,进入更靠近太阳的轨道;明年,它将再次借力金星和地球,使自己更靠近太阳——与太阳的距离比水星更近。


根据科学家的计算,2025年2月18日,再次飞越金星将使太阳轨道器与黄道面倾角达到约17度,首次“看到”太阳极地区域。在10年任务期内,太阳轨道器将围绕太阳飞行22圈。


科学家们早在1999年就首次提出了这一任务。欧空局官员最初计划在2008年至2013年之间执行该飞行任务。然而,技术上的困难最终使发射推迟到2020年。


多年来,技术的发展使该团队能够更好地保护航天器及其一套超灵敏的仪器。欧空局太阳轨道器项目负责人César García说:“航天器的热保护系统是难以克服的挑战之一。”


在最靠近时,太阳轨道器与太阳的距离仅为4200万公里,它需要能防热、防辐射的装置。此外,从地球出发后,太阳轨道器需要穿越漆黑一片的太空,忍受低至零下300华氏度的极低温。


保护太阳轨道器不会被高温熔化的,是一块大小为长3米、宽 2.4米、重量为150千克的防热罩。防热罩可以耐520℃的高温。


太阳轨道器外的热保护罩


Hasinger说:“太阳轨道飞行器将进入一个烤箱一样热的区域。它有一个非常复杂的隔热罩,可以保护它免受阳光的照射,当我们想看太阳时,这些小窥视孔会打开,但由于仪器太灵敏,马上就需要关闭。”


隔热板类似于一个三明治,由多层钛箔组成。深色的涂层覆盖了航天器的大部分面积,具有稳定的热性能,具有导电性,且在飞行任务过程中不会脱落。García说,白色是航天器涂层的主流颜色,因为它能很好地反射太阳光线。但它有一个主要的缺点:白色会随着时间的推移变暗,而这将显著改变航天器的热特性,并可能对其仪器产生不利影响。


研究小组私下将太阳轨道飞行器称为“黑鸟”,以突出其特殊的热保护系统的特点。


另一个技术挑战是确保机载仪器不会干扰航天器将进行的磁场测量。


太阳轨道器的10个科学仪器


太阳轨道器的10个科学仪器,包含两种类型:周边和遥感。周边仪器测量航天器周围的条件,遥感仪器测量远距离发生的事件。


太阳轨道器的发射目的是近距离研究太阳。它的主要目标是回答这个问题:日光层(太阳结构中大气稀薄的最外层,这一层充满太阳风等离子体)是如何产生和变化的。


科学家认为,回答这个问题的关键在于太阳的极地地区。太阳轨道器将是第一个拍摄这个神秘区域的航天器。“我们相信,这个区域是解开太阳活动周期之谜的关键。”欧空局的太阳轨道器项目科学家Daniel Müller说。


“太阳的磁场造成了我们看到的现象。”他补充说。太阳轨道器将非常细节的方式将太阳上发生的事情与日光层中发生的事情联系起来。“人类已经观察了太阳400年,发现太阳活动存在周期性,但我们真心不知道它的周期为什么是11年,这肯定是有原因的。”


每隔约11年,太阳两极的磁场就会发生翻转。


太阳的活动周期


太阳活动周期(solar cycle),或称为太阳磁活动周期(solar magnetic activity cycle),是太阳黑子数及其他现象的准周期变化,大约11年为一个周期。它会引起空气中、地面上一些物质的变化,甚至可能改变气候。


在11年的周期中,太阳活动会经历所谓的“太阳极大期”和“太阳极小期”。“太阳极大期”期间,太阳黑子多;“太阳极小期”期间,黑子就少。


太阳黑子活跃时会对地球磁场产生影响。出现的磁暴现象会使指南针乱抖动,不能正确指示方向;无线通信也会受到严重阻碍,甚至中断一段时间,从而影响飞机、轮船和卫星的安全,甚至会造成电网中断。


数十年来,科学家一直在试图揭开太阳活动之谜,以为地磁暴的爆发做好准备,减少太阳活动对人类的不利影响。


通过观察太阳赤道及两侧附近区域,科学家将加深对太阳磁场的了解。Müller说:“我们希望能可靠地预测太空天气,但对太阳极地区域知之甚少。”


“那是奇迹发生的地方。”


本文来自微信公众号:造就(ID:xingshu100),编辑:黄一成

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