“地掩天蚀”——中国科学家的逐日梦想

作者：苗娟

中国科学院国家空间科学中心 空间环境研究预报室

编者按：北京时间2018年8月12日，历时40年的研究设计，美国NASA“帕克”太阳探测器开启了人类历史上首次“触摸”太阳的逐日之旅，历经7年飞行后它将进入日冕一探究竟。与此同时，中国的科学家正在为另一种研究日冕的梦想而奋斗——“地掩天蚀”。

一、日冕

太阳，就像地球内部有分层结构、外部有大气层一样，根据物理性质的不同，太阳从内到外也可分成若干层次。我们肉眼看到的发光圆球只不过是太阳的一个圈层——光球。光球以内是太阳内部，从里到外依次分为核心、辐射层和对流层；光球以外是色球和日冕，它们与光球统称为太阳大气。

图1 太阳的分层结构

我们平常用肉眼看到的非常耀眼的太阳圆面就是太阳的光球。可见光波段的太阳电磁辐射几乎全部是由光球发射出来的，这也是称之为“光球”的原因。它有一个非常清晰的边界，太阳的直径就是以这个边界来定义的。

色球是紧挨着光球上面的气层，它的物质密度比光球更低，温度反而比光球高。平时，色球被地球大气分子和尘埃散射的太阳光完全淹没了，所以人们看不见它。当发生日全食时，月亮遮掩了光球明亮光辉的一瞬间，大气与尘埃散射的太阳光也同时消失，便可在黑暗的天空背景上看到在月轮边缘上呈现粉红色的锯齿形状，那就是色球。色球边缘不像光球那样清晰整齐，其结构很不均匀，平均厚度大约是2500公里。

日全食时，如果从粉红色区域的色球再往外面看，还能够看到一片银白色的光辉，这就是太阳的最外层大气——日冕。

图2 日全食原理图和日全食照片（2009/7/22）

二、日冕的监测

日冕仪发明思想来源于日全食，是由法国科学家李奥发明的。根据日全食的原理，日冕仪实际就是一架安装了遮挡盘的太阳望远镜。遮挡盘就像一个人工“月球”，挡在望远镜和太阳中间，把太阳光遮掉，形成人造日全食。

日冕仪大多采用折射系统，主要有内掩式和外掩式两种日冕仪。内掩式日冕仪的遮挡盘置于望远镜的筒内，外掩式日冕仪的遮挡盘则安装在主镜前方。由于日冕光十分微弱，不采取措施的话，日冕就会淹没在仪器内外的散射光中。因此，消除散射光是日冕仪设计和制造的关键问题。

在内掩式日冕仪的光学结构的物镜焦点处，设置投影直径等于太阳光球像大小的遮挡盘，将来自光球部分的太阳光反射出镜筒。外围光线经过照相透镜，聚焦在照相底片上，就得到了日冕像。成像光路中物镜采用单块薄透镜，目的是将透镜材料及玻璃到空气界面数减少到最低限度，有利于减少材料内部和界面反射引起的散射光。

图3 内掩式日冕仪光学结构图

对于外掩式日冕仪，光球部分的光线在未进入镜筒前就被挡住了，这样可以有效减小日冕仪内部散射光的大小，使外掩式日冕仪能观测到光强很弱的外冕，但其缺点是遮挡盘引起的渐晕使其无法观测到内冕，一般外掩式日冕观测到的日冕内限约为2个太阳半径。

通过日冕仪对日冕物质抛射的发现是空间观测技术发展的一个重要成果。1973年，美国海军实验室的轨道太阳观测台OSO-7卫星首先观测到一些突如其来的物质抛射使日冕结构发生了突然变化，这种抛射不仅涉及很高的质量和能量，而且发生频繁。随后，高山天文台安装在美国天空实验室Skylab卫星上的日冕仪于1973年5月至1974年2月期间对日冕物质抛射现象进行了首次常规监测。70年代中期，美国的“太阳风”卫星Solwind P78-1、太阳峰年卫星SMM、国际日地探测卫星ISEE-3号及太阳神卫星Helios等积累了大量日冕物质抛射现象的观测资料。90年代以来，阳光卫星Yohkoh和太阳与日球层观测卫星SOHO上的相关仪器对日冕的成像观测更是让天文学家“瞪大了眼睛”，对日冕物质抛射现象充满了极大的兴趣。

图4 不同形态日冕物质抛射

过去，人们往往把观测到各种日地空间环境扰动，如行星际激波、太阳质子事件、磁暴、极光和电离层骚扰等，几乎全部归因于太阳耀斑。然而，经过近40年对日冕物质抛射及其相关现象的观测与分析研究，我们越来越认识到日冕物质抛射所造成的日地空间环境扰动并不亚于太阳耀斑。对地球的高能粒子环境和地磁环境造成的扰动，日冕物质抛射似乎是比太阳耀斑更重要的肇事源。

三、“地掩天蚀”—揭秘太阳风起源

在自然条件下，只有出现日全食的时候才能观测日冕，而日全食很少发生。利用人工设计的仪器——日冕仪进行观测，又受到日冕仪光学系统中的杂散光等多种影响，日冕观测能力受限。

“我们借鉴月亮遮挡太阳形成日食的原理，想到地球也能作为遮挡物，可以将望远镜放在太阳和地球连线的远端进行日冕观测”，这是“地掩天蚀”项目负责人中科院国家中间中心的罗冰显研究员概括他们的设计理念。

图5 在太空观测日食的概念图

罗冰显团队经过详细计算后发现，最合适的观测点距离地球约140万公里，位于日地第二拉格朗日点附近。在这里，望远镜在日地引力和微小的推力作用下，就可与地球以相同的角速度绕太阳公转，太阳、地球、望远镜三者的相对位置保持不变，且地球能恰好完全遮挡太阳，可以获得长时间、高精度的日冕观测数据。

图6 在太空观测日食的概念图

2018年6月，罗冰显与中国科学技术大学申成龙教授、以及中国科学院微小卫星创新研究院的王亚敏博士组成的研究团队带着这个被命名为“地掩天蚀”的观测设想，参加了在深圳举行的“率先杯”未来技术创新大赛，并位列30个优胜项目之一。

图7 空间中心“率先杯”决赛队伍

罗冰显说，要实施这个计划还面临两大技术挑战：一是为了获得尽可能长的观测时间，探测器需长期保持在地球阴影区，太阳光照缺失，无法采用传统的太阳能电池阵解决探测器供电问题；二是探测器随着地球一起绕太阳公转时，惯性加速度与日地引力存在细微的不平衡，需要额外的推力来进行补偿。

目前项目团队正在进一步论证各种解决方案，比如采用放射性同位素电源解决电力问题，通过轨道优化、高比冲推进器解决引力补偿问题等。另一个方案是在合适的太阳光照区域部署太阳帆航天器，与位于阴影区的日冕探测器用系绳连接，这样既能为探测器供电，又能利用太阳光对太阳帆产生的压力平衡引力。罗冰显说“具体采用什么方式，还有没有其他更好的方式，还需要更深入的研究” 。

“对太阳的认识是人类了解宇宙奥秘、揭示生命规律的重要方式。此外，太阳经常会发生爆发活动，这些爆发活动会影响卫星、电网、海底电缆、输油管道、飞机、定位导航、通讯等人类赖以生存的高技术系统。因此，人类需要具备太阳爆发活动的预警能力，以应对太阳风暴的影响。如果’地掩天蚀’计划能够实施，将大幅度提升现有日冕观测能力，有望帮助解开日冕加热、太阳风暴的秘密，也能服务于空间环境预报，应对太阳风暴对人类技术系统的影响。”罗冰显说。

年经的中国科学家们，为你们点赞，加油！！！

来源：中科院之声