作者:朱广菁 来源:科学时报 发布时间:2010-3-30 9:19:55
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科学时报:宇宙气候学呼唤“空间太阳望远镜”
 
引人注目的人造地球卫星“太阳动态观测台”,历经两度推迟,最终于美国东部时间2010年2月11日10时23分(北京时间23时23分),由美国宇宙神-5火箭发射升空。太阳观测再掀高潮。研究表明,地球气候为宇宙星体相互作用所致,而太阳对其影响首当其冲。对太阳的观测与研究,其重要手段之一是借先进的太阳观测卫星获取更有价值的数据。然而,迄今为止太空尚无中国自主研制的天文卫星。其实,早在20多年前,中国科学家领先两代已开始绘制名为“空间太阳望远镜”的太阳观测卫星蓝图,并为此大声疾呼。而今,这种构想与呼吁可谓“已经太久”。
 
“1984年4月26日~5月1日,时任美国总统里根访华。就在这次前往中国的途中,里根乘坐的‘空军一号’座机在太平洋上空遭遇太阳风暴严重干扰,与白宫本部中断通信联系长达数小时……”宇宙星体特别是太阳对地球及人类未来会产生何种影响?当今太阳物理学前沿与热点问题是什么?国内外相关科研最新进展有哪些?“太阳动态观测台”升空之前,记者曾就上述问题先后采访了中科院国家天文台太阳活动重点实验室主任、研究员、博士生导师颜毅华,中国空间技术研究院研究员庞之浩。
 
“太阳爆发活动过程中,不仅有物质团剧烈运动,同时还伴随高能粒子发射和辐射增强,这些现象在光学、紫外线、X 射线、γ射线、射电辐射等不同波段均有反映。譬如日冕物质抛射,其能量之大相当于分摊给地球上每个人一颗氢弹,这些高能物质即使从遥远的太阳传至地球,也会影响我们的环境空间,会影响电离层甚至将电离层一扫而光。”颜毅华作上述表述后,接着列举了最近半个多世纪以来一系列重大空间灾难性事件。
 
1940年3月24日,大磁暴使美国明尼苏达州等地区80%的长途电话中断,其他地区供电中断;
 
1958年2月9日~10日,地磁暴造成北大西洋电报电缆中断,加拿大多伦多停电;
 
1972年8月4日,强磁暴使美国伊力诺伊州等地区电力电缆中断,变压器损坏;
 
1989年3月13日~14日,强磁暴造成全球无线电信号受到干扰,日本一颗通信卫星异常,美国一颗卫星轨道下降,加拿大魁北克省电网停电;
 
1991年4月29日,强磁暴使美国缅因州核电厂发生灾难性破坏;
 
1994年1月20日~21日、1997年1月6日~11日、1998年5月19日,全球多颗卫星或失效或报废或减寿或发生故障;
 
2001年4月3日凌晨,近25年来最大的太阳耀斑发生,全球所有通信中断;
 
2003年10月~11月,一系列太阳剧烈活动产生重大影响……
 
优于其他太阳观测卫星,“太阳动态观测台”可揭示太阳活动细节,聚焦七大科学目标
 
“自20世纪60年代起,多颗太阳观测卫星先后发射升空,监测太阳活动多种状态。”
 
庞之浩列举了最近几例太阳卫星观测成果:2010年1月5日,14年前即1995年12月2日发射升空的欧洲“太阳和日球层观测台”,捕捉到克罗伊策掠日彗星因过于靠近太阳而被“吞噬”的精彩瞬间;10天之后即1月15日,在空中运行仅两月余的欧洲普罗巴-2小型卫星,从太空拍摄到令人叹为观止的日食图像;相隔12天即1月27日,一枚3年前发射升空的美国孪生太阳观测卫星“日地关系观测台”,“抓拍”到太阳表面活跃区域上空猛然升起炽热的弧形物质。该弧形物质为等离子体,是一种由移动的带电粒子(电子和离子)组成的超热物质,以每小时161万千米的速度射向太空。正是这对孪生卫星,曾于2009年9月26日~27日,首次拍摄到长达30个小时的太阳日珥爆发过程。
 
然而,庞之浩说,最先进的太阳观测卫星当属前不久发射升空的“太阳动态观测台”,其耗资8.48亿美元,运行于地球同步轨道,旨在连续观测太阳以实现七大科学目标。
 
1.何时会发生爆发性太阳活动,怎样更准确可靠地预报空间天气;
 
2.暗条喷发、日冕物质抛射和耀斑等产生的原因,以及与哪种磁场构型有关;
 
3.太阳活动周期机理;
 
4.小尺度磁重联在日冕加热和太阳风加速方面所起作用;
 
5.活动区磁通量变化规律;
 
6.太阳极紫外射线谱辐照度变化原因,以及如何与磁活动周期联系在一起;
 
7.怎样确定近地太阳风结构和动力学特性。
 
庞之浩说,为此,“太阳动态观测台”携带3个主要仪器:洛克希德·马丁公司制造的大气成像组件;科罗拉多州大学制造的极紫外变化性实验仪器;斯坦福大学和洛马公司联合制造的日震与磁成像仪。
 
庞之浩强调,“太阳动态观测台”优于其他太阳观测卫星,可揭示太阳活动的每一细节:它每0.75秒获得一幅图像,而“日地关系观测台”每90秒提供一张图片,“太阳和日球层观测台”每12分钟提供一张图片;“太阳动态观测台”所有图像均为4096×4096像素,成像分辨率好于高清电视10倍;它每天可向地面转送1.5太字节有关太阳信息的庞大数据流,所发回数据为美国航空航天局此前任何一颗太阳观测卫星的50倍,相当于每天传送50万首歌曲,或相当于380部完整长度的电影数据量。
 
庞之浩表示,值得注意的是,“太阳动态观测台”将帮助科学家更好地研究太阳变化原因以及这些变化对地球的影响,其中包括深入理解太阳磁场如何产生与形成,以及这个磁场中的能量如何随太阳风和能量粒子被释放到太空。
 
太阳活动关乎人类生存与发展,亦关乎国家安全,对其科学预报与预警,已成全球瞩目重大课题
 
“新兴的‘宇宙气候学’认为,地球气候变化首先是受太阳系影响,而太阳系是银河系很小的一部分,它应受银河系影响。实际上,地球气候变化是由各个星体相互作用而共同存在的结果。”中科院大气物理研究所研究员高登义,曾在中国科协科技与人文专门委员会于2009年11月1日举行的“天文学现代进展及其对人类的意义”学术研讨会上指出,“宇宙气候学”尚处于初步研究阶段,它对人类未来很重要。
 
正是在这次会上,颜毅华进一步指出,现在,太阳活动正处于二三十年来的低谷,为这个低谷几百年来的最低值,即将接近极限区,没有黑子的天数很长,然而这并不意味太阳活动低谷对地球影响就小,与此同时出现的另一现象值得注意,即高能宇宙射线的流量为近50多年来最高,说明宇宙环境对地球影响有其整体性。
 
“太阳动态观测台”即将升空之际,颜毅华这样阐释人类探究太阳活动的意义与历程:“太阳是唯一在所有参数上能进行高分辨率详细观测与研究的恒星,人们常将它视作天然的天体物理实验室。对太阳活动发生与发展规律、起源与激发机制,以及太阳活动过程中磁化等离子体能量释放过程的详细研究,可推广至宇宙间其他各类天体,对深化天体形成与演化的认识具有重要的指导意义;由于人们逐步认识到太阳对地球气候和空间天气的影响乃至对宇宙生命现象的影响,均源自太阳磁场活动,磁场是支配太阳活动的关键性因素,太阳磁场活动会直接影响人类空间飞行安全、人造卫星使用寿命、无线电通信以及电力系统稳定运行等,所以理解、定量描述并预测预警太阳、日球和磁层动力学过程,对人类生存与发展、国家安全极具意义。此为当今空间科学主要目标,也是全球瞩目的重大课题。”
 
颜毅华介绍说,真正开启具有现代意义的太阳活动研究,始自150年前和100年前两次观测发现:1859年9月1日,人们首次观测到太阳耀斑爆发,以及几乎同时发生在地球上的电信中断、特大磁暴和极光现象等;1908年,人们首次发现太阳黑子具有强磁场。
 
20世纪60年代以后,一系列空间探测计划的实施揭示了大量的太阳活动现象和其中的一些规律:1962年确认太阳风,1971年发现日冕物质抛射(CME),1968年~1977年初步建立耀斑标准模型;以及70年代通过Skylab太阳软X射线的观测发现冕环结构,80年代通过SMM卫星首次发现太阳硬X射线辐射。
 
20世纪90年代以后,太阳活动研究进入全面发展时期——空间卫星探测占据主导地位。
 
颜毅华提出,当今,太阳活动前沿研究领域诸多难题尚待解决。尤为重要的有日冕加热。太阳表面即光球大约6000摄氏度,然而越到高空,大气温度越高,及至最外层日冕,温度竟高达数百万摄氏度。温度因何随高度增加而升高,其原因至今尚不清楚。还有太阳活动周期。原有观测结果显示,太阳活动周期为11年,然而现在超长至13年。按照太阳发电机理论,此为太阳磁场自我激发而趋于混乱所致:流体方向约每11年会自行改变或称反转,造成黑子磁力线周期性改变。然而,太阳发电机机制目前仍不清楚。
 
颜毅华说,美国科学院空间科学委员会曾提出新世纪位列第一的挑战性科学问题是“理解太阳内部结构及其动力学、太阳磁场产生、太阳活动周期性起源、太阳活动成因和日冕结构及其动力学”。颜毅华强调,在这些挑战性课题中,有关太阳磁场和磁化等离子体研究是最核心的物理问题;而理解太阳和空间等离子体过程的基本物理原理,是一项基础性研究。
 
我国科学家一系列原创性研究已获国际学术界公认,其自主创新的太阳观测卫星蓝图已绘就许久,长时间延迟实施将失去先进性
 
上世纪60年代,我国一位大学毕业参加工作不久的“毛头小伙儿”,通过维修苏联研发的一台太阳望远镜,了解了望远镜的构造,深化了对望远镜原理的认识,进而提出研制太阳磁场望远镜的构想;80年代,这种望远镜终于制造成功,并在位于北京郊区的中科院国家天文台怀柔太阳物理观测基地落成。由此,怀柔太阳物理观测基地成为国际太阳物理学界公认的一个坐标。这位当年的“毛头小伙儿”,就是如今年过七旬的中科院国家天文台原台长、中科院院士艾国祥。
 
颜毅华对记者说,当年,艾国祥发明以双折射滤光器为基础的太阳光球和色球两条谱线进行磁场和速度场两维测量的光谱仪,将太阳磁场测量方法连续推进3代;而今,怀柔太阳物理观测基地已是国际上重要的太阳磁场、速度场以及太阳射电观测研究基地。该基地与美国学术界率先在世界上成功进行了太阳磁场“日不落”联测,这是一项太阳物理研究领域的开创性研究课题。
 
2002年4月21日,怀柔基地观测到上述联测项目极其复杂的微波太阳射电频谱“斑马纹”。国际著名学者Chernov在其长篇综述中用20多页篇幅介绍了我国太阳射电频谱精细结构观测成果。同年5月10日,《每周科学评论》评价说,若能正确理解该现象,或许能直接揭示耀斑动力学。同时指出,必须在时间、空间和频率所有参数上达到高分辨率,才能真正理解上述结果。此为美国“阳光”卫星运行期间,《每周科学评论》以中国观测结果为主要内容发表的唯一快评。
 
2008年8月15日,美国《科学》杂志以《星星在中国出现》为题,在“科学纵览”专题头条位置介绍中国射电频谱日像仪项目最新进展,称“中国正在建设一双地球新耳朵聆听我们最近的恒星”。
 
我国已有半个世纪的太阳射电观测史,目前运行着国际先进的中国宽带动态射电频谱仪的3个频段和国内唯一的10.7厘米流量望远镜。其所获数据定期刊登在《中国太阳和地球物理资料》与《美国太阳和地球物理资料》上。
 
在太阳磁场和太阳活动研究中,我国先后开展了一系列原创性研究,在国际学术界已占有一席之地。以国际学术期刊《太阳物理》为例,我国学者近年来发表的文章占其总量的11%,居世界第二位。据了解,前些年,颜毅华曾另辟蹊径提出太阳非线性磁场边界积分模型,被国际公认为日冕磁场重建基本方法之一。2005年,美国学者在Springer出版的教科书《太阳日冕物理》中单列一节予以介绍。
 
而今,国际上特别是美国和欧盟提出了一系列规模宏大的太阳物理探测计划。我国在《国家中长期科学和技术发展规划纲要(2006-2020年)》中,也将太阳活动对地球环境的影响列为“学科发展”和“科学前沿”主要研究方向之一。为实现《纲要》目标,2008年12月17日,中科院国家天文台太阳活动重点实验室成立。太阳活动重点实验室汇集了国家天文台太阳物理研究方面“太阳磁场和太阳磁活动”、“太阳射电研究”、“太阳活动预报”3个创新研究团组;整合了一个观测基地、一个待建观测基地和两个天文技术实验室。
 
然而,颜毅华指出,迄今为止太空尚无中国自主研制的天文卫星。他说,早在20多年前,中国科学家领先两代已开始绘制名为“空间太阳望远镜”的太阳观测卫星蓝图,并为此而呼吁;如今我国太阳物理学界又将其提交“十二五”规划讨论。颜毅华强调,对太阳活动的探索,必然要求探测技术、科学研究和应用(太阳活动预报)三方面协调发展。只有这样,这一学科发展才能有长久持续的活力,才有可能开创独具中国特色的学科前沿阵地。
 
庞之浩也表示,即使是领先世界的观测卫星构想,倘若长时间延迟实施,也将失去其先进性。这是因为天文卫星与应用卫星不同,天文卫星所获取的天文图像唯有首次才具有较高价值,而应用卫星需反复观测才能更好地为国计民生服务。
 
《科学时报》 (2010-3-30 A1 要闻)
 
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