太阳的两极长啥样？

喜欢拍照的朋友都知道，即使是同一个场景，换个角度后，你仍然可以拍出不同效果的照片。无论是在车展上徘徊在模特周围的肖像摄影师，还是反复蹲下并站起来的风景摄影师，或者是愿意融入摩天大楼建筑工地以记录城市全景和天际线的风景摄影师，我相信他对此有自己的感受。

对于太阳和空间物理学家来说，他们的愿望是能够看到太阳的上下、左右、内外，从而彻底了解给我们提供光和热的恒星。然而，自古以来，人类观察太阳的视角一直局限于地球轨道的平面，从未能够对太阳的北极和南极进行详细的观察。更让科学家们兴奋的是，在太阳的北极和南极发生的事情对于太阳如何影响宇宙飞船的飞行，甚至是我们生活的环境都具有重要意义。

(太阳轨道飞行器来源:欧空局)

2月9日东部时间晚上10:30，也就是北京时间2月10日上午11:30，一位名叫太阳轨道飞行器的新太阳摄影师将上线。她将走上一条前人没有走过的道路。她不仅能清楚地看到太阳的北极和南极，还能用她的18件武器详细地看到太阳的每一面。

太阳极区非常重要，但是我们看不清楚。

欧洲是科学理解太阳的起源。当伽利略在17世纪首次将望远镜应用于天文观测时，太阳黑子是望远镜的重要观测对象。1844年，德国天文学家施瓦贝受到启发，通过记录连续18年积累的太阳黑子数，发现了太阳黑子数的变化规律:在11年周期中，太阳黑子数先增加，然后逐渐减少，最后回到11年周期开始时的水平。

然而，天文学家沃尔夫对历史数据的回顾更准确地证明了施瓦贝的结论。

太阳黑子纬度随时间的变化图也被称为“蝴蝶图”。(来源*)

通过不断的观察和研究积累，人们对太阳黑子的发生和变化有了更深的了解。太阳黑子通常成对出现在太阳表面，就像一个突出太阳表面的U形磁铁。黑子对中的两个黑子具有不同的磁极性。在太阳表面流动的作用下，出现在中纬度地区的太阳黑子磁场(更准确地说是磁通量，为了避免用复杂的术语混淆读者，下面不作区分)将同时被输送到赤道和两极。在赤道附近，从北方和南方输送来的磁场极性相反，并在这里结束。转移到极区的磁场在消除了太阳周围极区磁场的残余力之后，可以建立具有单一磁场极性的基础区域。

太阳黑子总是成对出现，就像一个U形磁铁插入太阳内部一样。(资料来源:magnetism.html https://www.window2universe.org/sun/atmosphere/sunspot)

磁力线从极地的“基地”开始后，它们无法在附近找到休息的地方，所以它们必须延伸到远离太阳的行星际空间，成为行星际磁场的一部分。开放的行星际磁场为太阳风从太阳表面涌出提供了一条畅通的道路，因此单一磁场极性的基础也是高速太阳风的发源地。在对极紫外、软X射线和其他波段的观察中，极地区域的磁场“底部”显示出一种暗色，就像太阳表面附近的下日冕中的一个大洞，所以科学家称之为极地日冕洞。

极地紫外线和白光日冕观测的合成图。中间的黄色图像是对太阳的极紫外观测，北极和南极的黑色区域是日冕洞。向外的白光日冕观测显示了这里的开放磁场轨迹。(资料来源:美国航天局)

日冕洞不仅存在于两极，也存在于低纬度地区。然而，当新太阳黑子的数量持续减少，太阳进入11年活动周期的最小值和下降周期时，极地地区的日冕洞是行星际磁场和高速太阳风的主要摇篮。在其他时候，极区日冕洞的消失和重现也是决定太阳磁场整体结构的重要过程。地球的偶极磁场需要很长时间才能反转方向，与此不同，太阳偶极磁场是基于太阳两极的日冕洞，每11年反转一次。

太阳黑子和附近光球的精细结构。(来源:欧空局)

从极地日冕洞喷出的高速太阳风本身将影响地球附近的空间天气状况。例如，当高速太阳风更频繁地撞击地球时，国际空间站和天宫空间站等长期在低地球轨道上运行的航天器将更快地经历轨道衰减，需要更多的燃料用于轨道维护，以防止它们坠落。当太空中的台风(日冕物质抛射)从太阳爆发时，行星际磁场和由极地日冕洞确定的太阳风整体结构也是决定它是否能撞击地球的重要因素。最严重的日冕物质抛射不仅会给卫星航天器带来灾难，还可能大规模瘫痪高压电网，迫使人类过上没有电的原始生活——没有灯，没有网，没有自来水，没有现代生活中的一切。

在太阳活动的最大时期，日冕洞在极地消失。日冕洞更多出现在低纬度地区，有时有特殊的形状，如本图中的“鸟洞”。(资料来源:美国航天局)

总之，为了研究和了解太阳上的事物，为了准确地预测太阳活动对在天空中飞行的宇宙飞船和地球上的生命的空间天气影响，为了做好准备，我们需要清楚地看到太阳的两极。

不幸的是，我们一直看不清楚。

离开飞机

为什么你看不清楚？让我们从用卫星观察地球的例子开始。

下图是今年2月4日风云四号在地球静止轨道上拍摄的白天地球图像。从这幅图中，我们可以清楚地看到包括中国在内的地区，但对于南极和北极地区，只能看到一些地区的大致轮廓。为了清楚地观察北极和南极，卫星不能在赤道上方的地球静止轨道上工作，必须以相对较大的倾角进入轨道。

风云4A卫星可见光成像。(来源:国家卫星气象中心网站)

地球南极的地球卫星观测图像，赤道上空的卫星无法获得这个角度的图像。(来源:美国航天局)

当我们把视角从地球附近延伸到整个太阳系时，我们会看到包括地球在内的所有行星都集中在太阳赤道附近的平面上。受空间技术的限制，大多数从地球发射的航天器只能在地球公转的轨道平面附近运行，即使它们脱离了重力的约束。因此，一直在空间工作的空间数据组织、太阳观测组织和其他太阳探测器只能提供地球公转表面附近的观察角度，不能特别准确地看到太阳极区的情况。对于安装在地面上的太阳能望远镜来说尤其如此。

SOHO卫星位于太阳和地球的L1点，即地球公转的轨道平面。SOHO看不到太阳的极地区域，因为地球赤道上方的卫星看不到北极和南极。(来源:欧空局)

从不同波段观察到的太阳图像可以带来不同的太阳信息。这张照片是由地球附近的SDO卫星拍摄的。由于位置的限制，她看不清楚太阳的两极。(资料来源:非洲发展新议程)

由欧洲和美国联合发射的“尤利西斯”宇宙飞船曾经完成了一次超越地球公转轨道的飞行。在这次飞行中，尤利西斯飞船发现来自太阳极的太阳风在太阳活动的最小和下降阶段都有一个相当稳定的结构，当尤利西斯穿过它时，几乎感觉不到速度和密度的变化。然而，当太阳活动进入最大周期时，不同速度的太阳风将交替出现在地球公转表面附近。如果不飞出地球轨道的平面，这些太阳风的三维结构就无法被了解。

Ulyssse航天器太阳风观测结果。图中的太阳图像不是尤利西斯自己获得的，而是同一时期的其他太阳观测卫星获得的。(资料来源:欧空局)

遗憾的是，尤里西斯只配备了局部探测仪器，只能感觉到附近的太阳风，却无法用望远镜看到太阳表面的图像进行遥感成像观察。事实上，即使装备了遥感设备，尤里西斯也不能太清楚地看到太阳:尤里西斯和太阳之间的距离大约在2 au到4 au之间(au是天文单位，意思是地球和太阳之间的平均距离)，即地球和太阳之间距离的4倍。越远，越难看清楚。

太阳讣告:让你一次看够。

这一次，太阳观测站将再次满足所有科学家的愿望:靠近太阳，飞出地球轨道，使用各种波段的遥感观测仪器来透视太阳极区。

太阳轨道器轨道图。(来源:欧空局)

当然，要做到这一点，必须有一个特殊的轨道。在金星和地球引力的帮助下，SO将与飞行中的金星形成轨道共振关系，并在发射后定期相遇。每次我们相遇，我们都可以借助重力向太阳靠拢，并逐渐偏离地球的轨道平面。在基本任务阶段的头四年，轨道相对于太阳赤道面的倾角可达17度，而且可以比在地球上更清楚地观察到太阳极区。但是，在后期的扩展任务阶段，轨道平面相对于太阳赤道的倾角可以达到33度，太阳极区的观测质量将进一步提高。

太阳轨道飞行器的18件武器是她配备的观察仪器。(来源:欧空局)

当我们分解来自太阳的辐射信号时，我们可以得到太阳不同方面的信息。为了获得尽可能多的观测，SO携带多达6个遥感观测仪器。其中，在极紫外波段观测的EUI仪器可以获得色球、过渡带和低日冕。虽然这些仪器中的大部分是由以前发射的太阳探测卫星携带的，但是日冕洞位置和结构的识别主要依赖于这个波段的仪器。然而，由于太阳观测站独特的观测位置，我相信它能给日冕的精细结构以及日冕加热和太阳风加速的重要物理过程带来新的信息。磁场本身的观测是基于x光仪器对可见光的塞曼效应。通过分析太阳光的偏振态，可以得到太阳光球磁场的极性和强度。

因为它离太阳太近，所以面向太阳的太阳能电池板的侧面装有高性能的热保护罩，可以抵抗500度的高温。遥感观测仪器在防护罩上开了一个小洞，进行秘密观测。这些遥感仪器也有保护措施，这样它们不仅能得到所需的信号，而且不会被太阳烤熟。图为二氧化硫正在进行真空热试验。(来源:欧空局)

所以在椭圆轨道上，离太阳的最短距离约为0.28天文单位，最远距离约为1天文单位，这相当于在地球轨道上来回行走。除了可以直接观察太阳的类似望远镜的遥感观测仪器之外，太阳观测站还配备了四个本地探测仪器，以“感觉”其所在位置的磁场和等离子体参数。在离太阳越来越近和越远的过程中，太阳观测站可以记录这些参数随着它们逐渐远离太阳而发生的变化，这样科学家就可以了解太阳风和日冕物质抛射从太阳到地球的过程中发生了什么变化——这对准确的空间天气预报也很重要。

利用X射线和极紫外波段观察合成日冕图像。(来源:美国航天局)

帕克太阳能探测器(PSP)于2018年8月推出，是一对实力不同的合作伙伴。虽然PSP遥感观测仪器没有SO丰富，其轨道基本上在地球的公转面内，但它与太阳的最小距离小于SO，它能探测到日冕加热和太阳风加速的最原始过程。然而，太阳观测站丰富的遥感观测数据和不同日心距离的局部探测数据可以为揭示背后的秘密PSP数据提供丰富的线索。总之，PSP和SO的双剑组合一定能在日本的江湖上独领风骚。

PSP和SO的双剑组合。(来源:欧空局)

科学不仅能满足人类的好奇心，为新技术提供理论来源，还能让人类免于恐惧。那时，当人类对太阳的科学知识几乎为零时，日食，这只是一种自然现象，也会给人们带来恐慌。当现代人习惯了电力、卫星定位、卫星通信和越洋飞行带来的便利时，来自太阳的风暴对现代生活和空间活动构成了真正的威胁。如果将来真的发生了灾难，我们是否能冷静地预测并做好准备取决于我们对太阳和太空天气的科学理解。可以预期，PSP和SO前所未有的观测位置将使我们更好地了解太阳，我们的母星。

太阳风暴示意图。(资料来源:AGU)

太阳能轨道器将帮助人们第一次清楚地看到太阳的两极。