在太空观望 空间天气与地球天气相遇之处

6月8日，美国国家航空航天局(美国航天局)宣布，原定于美国时间6月14日发射的电离层连接探测(ICON)卫星将推迟发射。根据该计划，该卫星将对电离层进行更深入的探测，以加深人类对电离层的理解。电离层是地球天气和空间天气相互作用的区域。太阳活动影响下的电离层太阳物理学是天文学研究的一个重要分支。一方面，太阳是离我们最近的恒星。我们可以利用各种探测方法以高分辨率和高灵敏度观察太阳，从而对恒星的形成、演化、内部结构和外部大气有更典型和深入的了解。另一方面，太阳物理学的研究对人类活动也具有重要意义:太阳活动将引起地球周围空间环境的重大变化，从而影响人类活动，如空间飞行、通信、导航、供电等。地球附近的电离层正好处于受太阳活动影响的范围和受地球大气变化影响的范围的交界处。在离地面60-1000公里的范围内，在太阳极紫外和软X射线辐射的作用下，地球大气中的分子和电子脱离离子的束缚而电离，带电的离子和电子出现在大气中，从而形成电离层。电离层的变化主要受太阳活动的控制。例如，在地球面向太阳的白天和背向太阳的夜晚，电离层的性质是完全不同的。当太阳耀斑发生时，太阳极紫外和射电波段的辐射将增强，这将对不同高度的电离层电子密度产生不同的影响，并引起电离层扰动。当太阳扰动(如日冕物质抛射)到达地球，引起地球磁场的剧烈变化(如磁暴)时，磁场变化产生的电场会沿着磁力线传输到电离层，造成电离层扰动。当太阳活动高时，太阳黑子数在11年活动周期内达到最大，耀斑和日冕物质抛射的频率增加，电离层受太阳活动影响的频率和程度更高。在太阳活动的低年，随着太阳黑子数的减少，太阳活动逐渐趋于平静，太阳活动对电离层的干扰也会减弱。因为电离层等离子体频率覆盖长波、中波和短波无线电通信的频率范围，所以电离层变化对这些频带中的无线电传播有很大影响。在全球定位系统、北斗和其他导航系统中，卫星导航信号从卫星到地面的传输时间与电离层变化密切相关。一旦电离层参数发生变化，导航信号的传播时延也会随之变化，从而影响定位和导航的精度。随着对电离层的深入研究，科学家们发现电离层以下的中性大气变化也会影响电离层。为了对电离层变化有更深入的了解，美国航天局实施了ICON探测计划，希望通过发射一颗新的电离层探测卫星获得对电离层变化的新了解。为了完成探测任务，ICON探测器配备了四个探测仪器，其中三个仪器对大气辉光现象进行遥感观测，另一个仪器对探测器位置的物理参数进行现场探测。辉光是中高层大气中的一种发光现象。它的基本原理与我们熟悉的极光相似:地球大气层中的分子和原子在吸收太阳的电磁辐射后被激发到更高的能量状态，然后在从高能状态到低能状态的转变过程中发射出特定波长的光。与极光相比，辉光的亮度要弱得多，所以人们很难用肉眼感知它。一般来说，只有高灵敏度的科学仪器才能用于研究。然而，与只能在北极和南极附近观察到的极光相比，空气辉光的分布更加广泛，出现在每个纬度和经度的中高层大气中。在ICON探测器上负责探测大气速度的仪器是全球热高分辨率成像迈克尔逊干涉仪。在以前的空间探索任务中，类似的仪器需要调整组件之间的距离，以逐个检测不同波长的信号。威盛采用的新设计使其能够同时检测不同波长的光信号，精度得到了极大的提高。对于大气中的风场探测来说，探测经度可以达到10英里/小时(约16公里/小时)。安装在ICON上的远紫外分光计(FUV)通过检测夜间发生的辉光现象来确定辉光位置的密度信息。该仪器采用全新的图像处理技术，提高了图像的清晰度。ICON与地面通信的带宽使FUV能够每12秒下载一张观察图像。然而，在12秒内，探测器已经在轨道上移动了数百公里。科学家感兴趣的空气辉光现象的空间尺度通常约为几公里。如果FUV仪器每12秒钟只采集一幅观察图像，这些现象将无法区分。因此，FUV将在实际工作中每秒拍摄8张照片，在12秒内总共拍摄96张照片。通过安装在卫星上的计算机，ICON将在生成每幅图像时根据卫星的具体位置对96幅图像进行校正和融合，最终生成一幅高分辨率图像返回地球。当卫星观测区域在阳光下半天时，FUV式的探测任务由另一个ICON的EUV完成。从宏观到微观，另一种称为全球尺度臂板观测仪(GOLD)的仪器将在其在轨探索期间与ICON合作，帮助科学家进一步探索电离层的奥秘。黄金不是一颗独立的科学探索卫星，而是商业卫星携带的科学仪器。携带黄金的卫星在地球同步轨道上运行，在西半球大约35000公里的高度运行。在这里，GOLD可以每半小时提供电离层和中高层大气全球变化的宏观图像。另一方面，ICON在低地球轨道上工作，轨道高度为560公里，能够对电离层和中高层大气现象进行精细探测。通过这种方式，GOLD和ICON为科学家提供了从宏观到微观、从全球到地方的多种研究视角，并有望产生新的研究突破。(作者李惠超，中国科学院国家航天中心博士生)