NASA的Parker太阳探测器与太阳系周围的天文台合作

艺术家的“帕克太阳探测器”太空船接近太阳的概念。

了解我们的空间环境的核心是这样的知识：整个空间的条件-从太阳到行星的大气层再到深空的辐射环境-都是相互联系的。

研究这种联系-一个称为日光物理学的科学领域-是一项复杂的任务：研究人员在无处不在的太阳能材料外流的背景下追踪材料，辐射和粒子的突然爆发。

2020年初的一系列事件共同创建了一个近乎理想的太空实验室，结合了人类最好的一些观测站（包括帕克太阳探测器，在第四次太阳掠过期间）与太阳活动的安静时期（这最容易做到）相结合。研究那些背景条件。这些条件为科学家提供了一个独特的机会，以研究太阳如何影响整个空间中具有多个观察角度且与太阳的距离不同的点处的条件。

太阳是一颗活跃的恒星，其磁场通过太阳系散布，并由太阳不断流出的称为太阳风的物质所携带，这种物质会影响航天器并影响整个太阳系的环境。数十年来，我们已经观察到了太阳，靠近地球和其他行星的空间，甚至是太阳势力范围最遥远的边缘。2018年标志着一个新的，改变游戏规则的天文台的启动：派克太阳探测器计划最终飞离太阳可见表面约383万英里。

帕克现在已经与太阳有四次亲密接触。（帕克首次与太阳相遇的数据已经揭示了其大气层的新景象。）在2020年1月和2020年2月的第四次太阳遭遇期间，飞船直接在太阳和地球之间经过。这为科学家提供了独特的机会：几天后，帕克太阳探测器在最接近太阳时测量到的太阳风将到达地球，在那里，航天器和地面天文台都可以测量风本身及其影响。此外，地球上及附近的太阳观测站将清楚地看到太阳上产生派克太阳探针测量的太阳风的位置。

“我们从Parker的数据中知道，某些结构起源于太阳表面或附近。我们需要研究这些结构的源区，以充分了解它们如何形成，演化以及对太阳风中的等离子体动力学做出贡献。”约翰·霍普金斯大学应用物理研究所派克太阳探测器任务的项目科学家Nour Ra​​ouafi说。马里兰州劳雷尔的实验室。“基于地面的天文台和其他太空任务可提供辅助性观察，从而有助于全面了解帕克正在观察的内容。”

在任何情况下，这种天体对准都是科学家感兴趣的，但与此同时，科学家又对另一个天文学时期感兴趣：太阳最小。这是太阳处于最低活动水平时大约11年的常规活动周期的关键点，因此不太可能发生太阳突然爆发，例如太阳耀斑，日冕物质抛射和高能粒子事件。这就意味着研究接近太阳极小值的太阳对那些能够观察到更简单的系统从而解开哪些事件会导致哪些影响的科学家来说是一个福音。

“这一时期为追踪从太阳到地球以及行星的太阳风提供了理想的条件，”科罗拉多州博尔德高空天文台的太阳科学家朱利亚纳·德·托马说，他领导了各天文台之间的协调活动。“这是一个我们可以更轻松地跟随太阳风的时期，因为我们没有受到太阳的干扰。”

几十年来，科学家们在这些太阳最低限度的时间段内收集了观测数据，这是由高空天文台的太阳科学家Sarah Gibson和其他科学家共同努力的结果。对于过去三个太阳最短时期中的每个时期，科学家都从不断扩大的空间和地面观测站列表中收集观测数据，希望获得不受干扰的太阳风的大量数据将揭示有关其形成和演化方式的新信息。在这个太阳最短的时期，科学家们从2019年初开始在全日球和行星相互作用（简称WHPI）的保护下开始收集协调的观测结果。

这项特别的WHPI活动包含了前所未有的广泛观察结果：不仅涵盖了太阳和对地球的影响，而且还涵盖了火星收集的数据以及整个太阳系的空间性质，所有这些均与Parker Solar Probe的第四和第四部分相一致。最近的太阳掠过。

WHPI的组织者聚集了来自世界各地以及世界各地的观察员。结合来自地球和太空中数十个天文台的数据，科学家们有机会绘制有史以来最全面的太阳风照片：从太阳望远镜诞生的图像到帕克太阳能离开太阳不久后的样本进行探测，以对其在整个空间中的变化状态进行多点观察。

请继续阅读，以了解在这次太阳与太空天文台国际合作期间捕获的各种数据的样本。

派克太阳探测器WISPR仪器发出的动画可见光图像序列显示了冠状流光，这是在2020年1月28日派克太阳探测器在近日点附近时观察到的。

WHPI活动期间，帕克太阳探测器（Parker Solar Probe）靠近太阳的早期数据显示，太阳风系统的动态性比在地球附近的观测中可见。特别是，科学家们希望，到2020年5月向下传送到地球的全部数据，将揭示出动态结构，例如处于发展初期的微小日冕物质抛射和磁通绳，这是其他天文台无法观测的。更远的地方。将这样的结构（以前太小或太远而看不到）与太阳风和近地测量联系起来，可以帮助科学家更好地了解太阳风在其整个生命周期中如何变化，以及太阳附近的起源如何影响整个太阳系的行为。

夏威夷莫纳罗亚太阳天文台的数据显示，2020年1月21日（UTC），一股物质射流被冲出太阳的南极附近。通过从当前图像中减去前一图像的像素以突出显示更改来创建此差异图像。

派克太阳探测器（Parker Solar Probe）的太阳风结构特写镜头与地球和太空中的太阳天文台相辅相成，它们的视野更大，可以捕获太阳风结构。

夏威夷莫纳罗亚太阳天文台的数据显示，2020年1月21日有一束物质喷射到太阳南极附近。像这样的日冕喷气机是科学家希望通过Parker Solar Probe更仔细地观察到的一种太阳风特征，因为产生它们的机制可以为太阳风的产生和加速提供更多的信息。

“如果派克太阳探测器观测到这架射流，那将是非常幸运的，因为它将在射流形成后不久就提供有关等离子体以及射流内部和周围的磁场的信息，”日冕太阳磁场观测台K-的首席科学家琼·伯克皮勒说。莫纳罗亚太阳天文台的日冕仪捕获了这些图像。

美国国家航空航天局（NASA）的太阳和地球关系天文台（STEREO）拍摄了更多具有更长曝光时间的图像，以改善太阳风中的结构视线。这些差异图像跨越2020年1月21日至23日，是通过从当前图像中减去前一张图像的像素来突出显示更改而创建的。

除了观察派克太阳探测器和附近地球的太阳风，科学家还从NASA的太阳动力学天文台和太阳与地球关系天文台等航天器中获得了有关太阳及其大气的详细图像。NASA的太阳和地球关系天文台（STEREO）从与地球大约78度的有利位置可以清晰地看到太阳。

在WHPI活动中，科学家利用了这种独特的视角。从1月21日至23日（派克太阳探测器和STEREO对准）之后，STEREO任务团队增加了其日冕仪拍摄的图像的曝光长度和频率，从而揭示了太阳风中从太阳加速飞出时出现的细微结构。

这些差异图像是通过从当前图像中减去前一张图像的像素以突出显示更改而创建的-在此处显示了一个小的CME，否则将很难看到它。

美国国家航空航天局（NASA）的太阳动力学天文台始终盯着太阳。这些图像是在2020年1月15日至2月11日的极端紫外光波长下捕获的。

太阳动力学天文台（SDO）拍摄整个太阳的高分辨率视图，揭示了太阳表面和较低太阳大气层的精细细节。这些图像是在171埃的极紫外光波长下捕获的，突出显示了太阳外部大气中的安静部分，即电晕。这些数据与SDO的其他波长的图像一起，绘制了太阳的大部分活动图，从而使科学家能够将帕克​​太阳探测器和其他航天器的太阳风测量值与它们在太阳上的起源联系起来。

数据建模

太阳的“开放”磁场（在此模型中以蓝色和红色显示，而环形或闭合磁场以黄色显示）主要在太阳最小时来自太阳的南极和北极附近，但会扩展以填充在太阳附近聚集的空间。太阳的赤道。

理想情况下，科学家可以使用这些图像来精确查明产生派克太阳探针测量的特定太阳风流的太阳区域-但要确定航天器观测到的任何给定太阳风流的来源并不简单。通常，引导太阳风运动的磁力线从太阳的北半部流出的方向与南半部相反。2020年初，Parker Solar Probe的位置正好位于两者之间的边界-一个被称为“日流层”的区域。

“对于这种近日点，帕克太阳探测器非常接近当前的表层，因此，通过一点或另一种方式微移都会使磁性脚点移到南极或北极，”美国宇航局戈达德太空学院的太阳能科学家尼克·阿尔格说。马里兰州格林贝尔特的飞行中心。“我们处于临界点，那里有时向北，有时向南。”

建模小组负责预测派克太阳探针在临界点的哪一侧。利用我们对太阳磁场的了解以及从遥远的太阳图像中可以得到的线索，他们做出了每天的预测，确切地讲，太阳在太阳出生的地方精确地将帕克飞过给定的太阳风。日。几个建模小组每天都在尝试回答这个问题。

每个小组都利用对太阳表面磁场的测量，每天对产生派克太阳探测器所飞过的太阳风的源区域进行预测。

Arge与NASA Goddard的太阳科学家Shaela Jones合作，后者在WHPI活动期间进行了每日预报，使用的是Arge和王一鸣和同事Neil Sheeley最初开发的模型，即WSA模型。根据他们的预测，在观测战役期间，太阳风的预测来源突然在半球之间切换，因为当时的地球轨道也与日球层电流片紧密对准，在该区域，磁极的方向和太阳风在南北之间切换。他们预测，在与地球类似的平面上飞行的帕克太阳探测器，在飞向太阳附近时会遇到类似的太阳风源和磁极性转换。

由尼克·阿奇（Nick Arge）和谢拉·琼斯（Shaela Jones）使用WSA模型制作的模型运行说明了预计在2020年1月10日至2月3日后几天将影响地球的太阳风的预计起源。太阳北极和南极附近的彩色区域表示太阳风从中流出的区域，红色区域表示较快的流动，蓝色区域表示较慢的流动。太阳上的黄线表示相反极性的区域。白线表示在给定日期到达地球的太阳风的预计起源点。黑白底图显示了太阳表面的磁场图，是模型预测的基础。黑色区域是磁场向内指向太阳的位置，白色区域是磁场朝外指向的位置，远离太阳。

太阳风模型依赖于每天对太阳表面磁场的测量-下方是黑白图像。这个特殊的模型使用了美国国家太阳观测台的全球振荡网络小组的测量数据，该模型专注于预测太阳的表面磁场在几天内将如何变化。创建这些磁性表面图本身是一个复杂且不完善的过程，参与WHPI活动的一些建模小组还使用了来自多个观测站的磁性测量结果。这以及每个小组的模型之间的差异，造成了各种各样的预测，有时将帕克太阳探测器的太阳风的来源置于两个不同的太阳半球中。但是，由于在模拟太阳风源方面存在固有的不确定性，因此这些不同的预测实际上可以使运行更可靠。

琼斯说：“如果您可以使用两个望远镜在两个不同的地方观察太阳，那么您就有更好的机会找到正确的位置。”

扑克平面非相干散射雷达

太阳风携带着巨大的能量和太阳的内嵌磁场。当它到达地球时，它可以像钟形一样使我们的自然磁场成环，使其弯曲和变形-这会在地球表面的某些点产生可测量的磁场强度变化。我们跟踪这些变化，因为磁场振荡会导致大量空间天气影响，这些影响会干扰航天器，甚至偶尔会干扰地面上的公用电网。

自1850年代以来，许多地面磁力计一直在追踪这些影响，并且是与此活动相关的众多科学家收集的数据之一。其他地面仪器可以揭示我们的大气中太空天气的隐形影响。一种这样的系统是“扑克室不相干散射雷达”（PFISR），一种雷达系统，位于阿拉斯加费尔班克斯附近的“扑克室研究范围”内。

该雷达经过专门调谐，可检测到地球磁场扰动的最可靠指标之一：地球高层大气中的电子。当一系列复杂的事件将磁层中捕获的粒子发送到地球大气中时，就会产生这些电子，这种情况被称为磁层亚暴。

1月16日，PFISR在一场亚暴期间测量了地球高层大气中不断变化的电子。在亚暴期间，粒子级联进入高层大气，不仅产生了雷达测量的电子阵雨，而且产生了更明显的效果：极光。PFISR使用指向不同方向的多束雷达光束，这使科学家们可以建立三维图，显示整个次风暴中大气中电子如何变化。

位于阿拉斯加Poker Flat的Poker Flat非相干散射雷达对地球高层大气中的电子进行3-D测量。这些电子的产生过程与产生极光的过程相同，Poker Flat All-Sky Camera在2020年1月16日对阿拉斯加的极光进行了成像。

由于该次暴风雨发生在观测活动的初期（数据收集开始仅一天后），因此不太可能是由活动期间观测到的太阳条件引起的。但是即使如此，磁层副风暴与太阳风所产生的更广泛的全球范围效应（称为地磁风暴）之间的联系仍未完全了解。

加利福尼亚门洛帕克（Menlo Park）的SRI International的PFISR首席研究员罗杰·瓦尼（Roger Varney）说：“这次亚暴不是在地磁风暴期间发生的。”“在此事件中，太阳风在波动，但变化不大，基本上是背景噪声。但是，太阳风基本上永远不会稳定。不断地将一些能量带入磁层。”

这种向地球磁系统中沉积的能量具有深远的影响：一方面，地球高层大气的成分和密度的变化会使通信和导航信号混乱，这种影响通常以总电子含量为特征。密度的变化也会在很大程度上影响卫星的轨道，从而导致精确位置的不确定性。

玛文

地球并不是太阳风可测量的唯一行星-研究太阳系中的其他世界可以帮助科学家了解太阳风对地球的某些影响以及它如何影响整个太阳系整个地球和其他世界的演化。历史。

在火星，太阳风加上火星缺乏全球磁场，可能是当今“红色星球”干旱，贫瘠的世界中的一个主要因素。尽管火星曾经像地球一样温暖，有液态水和浓厚的大气层，但在其40亿年的历史过程中，地球发生了巨大的变化，大部分大气层被剥夺了进入太空的空间。通过在地球上观察到类似的过程，科学家利用对火星上太阳-行星相互作用的理解来确定导致大气逸出的过程如何改变行星是否可居住。今天，火星大气与挥发性演化任务（MAVEN）在火星上研究了这些过程。最新的WHPI活动可在火星上进行MAVEN观测。

在接下来的几个月中，世界各地的物理学家将开始深入研究这些天文台的数据，希望建立联系以揭示有关太阳及其影响整个太阳系的地球和空间的变化的新知识。

派克太阳探测器是“美国国家航空航天局日光物理学与星际计划”的一部分，旨在探索直接影响生命和社会的太阳地球系统的各个方面。星空生活计划由该机构位于马里兰州格林贝尔特的戈达德太空飞行中心负责，由美国国家航空航天局（NASA）在华盛顿的科学任务委员会负责。位于马里兰州劳雷尔的约翰霍普金斯大学应用物理实验室设计，制造和运行了该航天器，并管理着NASA的任务。

本故事中讨论的研究包括由美国国家科学基金会通过与SRI International达成的合作协议AGS-1840962资助的主要设施，由扑克平面非相干散射雷达支持的工作，以及由国家科学资助的国家大气研究中心的工作。通过合作协议AGS-1852977成立。通过美国国家航空航天局（NASA）的Heliophysics系统天文台连接（HSO Connect）计划为WHPI广告系列提供支持。