NASA新任务将拍摄地球“隐形光环” 揭示大气最外缘之谜

美国国家航空航天局（NASA）近日启动一项全新任务，计划拍摄地球周围一圈几乎不可见的微弱光辉——这道由氢原子发出的紫外光标记着地球大气的最外缘“外层大气”（外逸层），被称为“地日冕”，其形状会随着太阳活动不断变化。

这一任务不仅旨在揭示这一巨大而稀薄“氢云”的真实尺度和动态行为，也被视为保障未来阿耳忒弥斯登月宇航员安全、并探索行星宜居性的重要一步。

这项名为“卡鲁瑟斯地日冕观测台”（Carruthers Geocorona Observatory）的任务于2025年9月24日从佛罗里达州肯尼迪航天中心发射，搭载SpaceX“猎鹰9号”火箭升空，与NASA的“星际映射与加速探测器”（IMAP）以及美国国家海洋和大气管理局（NOAA）的“L1空间天气后续”卫星共同飞往地日L1拉格朗日点。L1位于地球轨道内侧、距离地球约一百万英里处，在这里，太阳与地球的引力达到平衡，航天器能够以较低燃料消耗长期保持相对稳定，有利于持续观测太阳及近地空间环境。

早在20世纪70年代，科学界对地球大气究竟延伸到多高仍缺乏直接证据，尤其是自地表约300英里以上、由极为轻盈的氢原子构成的外逸层，其空间范围长期存在不确定性。由于外逸层发出的紫外光极其微弱，只能通过所谓“地日冕”才能探测到，当时的科学家几乎无法从地面直接观测这一结构。为此，开创性的科学家兼工程师乔治·卡鲁瑟斯（George Carruthers）开始研制专门观测紫外线的相机，并在多次探空火箭试验后，最终打造出可在太空运行的成像仪器。

1972年4月，阿波罗16号宇航员将卡鲁瑟斯的远紫外相机部署在月球笛卡尔高地，从月面“回望”地球，首次拍摄到地日冕的图像。结果显示，地球周围这团“轻飘飘”的氢云远远超出当时预期，从月球的观测点看仍无法完整纳入视场，这令研究团队颇感震惊。后续研究认为，地球外逸层至少延伸到地月距离的一半以上，其空间尺度远大于传统意义上的大气“边界”。

外逸层的重要性远不止其“大小”本身。当来自太阳的爆发性活动（如日冕物质抛射）抵达地球时，首先遭遇的就是这层最外缘大气，其与太阳高能粒子和辐射的相互作用会引发一系列物理过程，有时会演化为威胁航天器和宇航员安全的强烈空间天气事件。因此，监测外逸层如何随太阳活动起伏，对提升空间天气预报能力、降低近地空间作业风险具有关键意义。

外逸层中的氢还与行星失水问题密切相关。作为水分子（H₂O）的组成部分，氢原子在高层大气中逐渐逃逸至星际空间，被认为是行星长期水量演化的一个窗口。通过追踪地球氢逃逸过程，科学家希望解释为何地球能够在漫长地质历史中保持丰富水资源，而太阳系内许多行星和卫星却丧失了大量水分，这也为寻找宜居系外行星提供重要线索。

这次以“卡鲁瑟斯”命名的新任务，首次以持续成像的方式对地球外逸层进行电影般的记录，目标是在长时间尺度上呈现其整体结构及内部动态。项目首席研究者拉拉·沃尔德罗普（Lara Waldrop）在伊利诺伊大学厄巴纳-香槟分校领导这一任务，该校也是乔治·卡鲁瑟斯的母校。NASA戈达德太空飞行中心的任务科学家亚历克斯·格洛塞尔（Alex Glocer）表示，过去从未有任务专门致力于外逸层观测，此次获得的连续数据将是前所未有的。

卡鲁瑟斯探测器整备质量约531磅，体积大致相当于一张双人沙发，将在发射后经历约四个月的飞行，抵达L1点附近的工作轨道。计划在完成约一个月的在轨测试后，于2026年3月正式进入为期两年的科学观测阶段。在L1这一距离地球约为月球四倍远的位置，航天器将凭借两台紫外成像相机——“近场成像仪”和“广角成像仪”——对外逸层进行全景与局部联合描绘。

其中，近场成像仪用于“拉近视角”，细致捕捉靠近地球的外逸层结构如何在短时间内随空间环境变化而改变；广角成像仪则承担“远距俯瞰”的角色，记录整个外逸层在远离地球处的扩展尺度及随时间的整体演化。两套成像系统协同工作，将绘制出氢原子在外逸层中流动乃至最终逃逸到太空的动态图谱。科学团队指出，理解地球上大气逃逸的物理机制，有助于推断系外行星大气在不同恒星辐射环境下的演化速度，从而判断它们在长期尺度上是否能够维持适宜生命存在的环境。

卡鲁瑟斯地日冕观测台由BAE系统公司负责设计和建造，任务由NASA戈达德太空飞行中心的探测者与日球物理项目处负责管理，隶属于华盛顿NASA总部的日球物理司。科研团队期望，通过对唯一已知宜居行星——地球——外层大气的精细成像与物理剖析，为未来在宇宙中寻找其他可能孕育生命的世界提供更明确的“参照模板”。

编译自/ScitechDaily