拟议Mesom任务拟借助月球阴影在太空重现全日食,以提升空间天气观测能力

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当太阳风暴影响地球时,可能干扰多项关键技术运行。相关现象通常发生在磁场与带电粒子与地球磁场相互作用之际,属于“空间天气”事件。近期地球正经历过去二十年来最强烈的太阳风暴之一,再度凸显提升对这类事件理解与预报能力的需求。

在此背景下,一个国际研究团队正在推进一项航天器任务设想,目标是更深入观测太阳外层大气日冕,从而研究太阳风暴形成条件并改进空间天气预报。该拟议任务名为Mesom(Mesom,“月球辅助太阳掩星任务”),核心思路是在太空中重现全日食条件,使研究人员能够比以往更细致地观测太阳大气层。

历史案例显示,太阳风暴可能带来显著影响。1989年,加拿大魁北克省因一次日冕物质抛射(CME)引发的事件出现长达九小时停电,影响波及加拿大和美国,估计造成数千万美元损失,包括生产力下降及电力设备更换成本。2024年5月,一系列类似太阳爆发导致数千颗低地球轨道卫星轨道高度突然降低;据报道,仅美国农民因GPS中断估计损失5亿美元(3.7亿英镑)。而1859年的CME事件“卡灵顿事件”强度更高,当时电流沿电报线在北美和欧洲引发多种异常效应,电报操作员遭电击(华盛顿特区一名操作员重伤),火花还引发部分电报局小火灾。相关研究团队指出,在当今高度依赖技术的环境下,若发生类似卡灵顿事件,影响可能更为剧烈。

观测层面上,CME等不利空间天气事件的源头位于太阳外层大气日冕,但日冕的微弱光辉常被太阳可见表面强光掩盖。全日食期间,月球遮挡太阳可见表面辐射,仅留下日冕的微弱光辉,为观测提供窗口。然而,全日食虽可预测但罕见且持续时间短:21世纪预测的全日食持续时间均不足七分钟,平均约每18个月发生一次;地面观测还会受天气影响,并因日冕光与地球大气相互作用产生失真与细节损失。

为克服上述限制,科学界长期采用“日冕仪”理念,通过遮挡盘阻挡太阳强光,并配合光学阻挡与滤光器抑制衍射光,使日冕微弱信号到达焦平面并由传感器转为数字信号。太阳和日球观测卫星(Soho)搭载的大角度和光谱日冕仪(Lasco 3)自1995年发射以来返回大量日冕图像。但研究团队指出,即便地面与空间日冕仪仍难以捕捉太阳大气最深层图像,伪影与仪器限制会显著降低靠近太阳表面的测量质量。欧洲航天局主导的技术演示任务Proba-3通过两颗卫星编队飞行(观测时相距最多150米)在太空重现全日食条件,但同样无法对太阳大气最深层成像。

Mesom提出另一条路径:利用天体作为天然遮挡体。该方案最初由英国空客工程师史蒂夫·埃克斯利(Steve Eakinsley)和斯蒂芬·肯布尔(Stephen Kemble)提出,设想让航天器飞行在天体投下的阴影中,以实现对日冕直至太阳色球层的长时间高质量观测,并避免地球大气影响。研究团队认为,月球因形状更接近完美球体(极半径仅比赤道半径短2公里)且缺乏厚重大气层,可作为太阳系中理想的天然遮挡盘之一。

据介绍,萨里空间中心工程师团队评估了利用月球阴影研究太阳日冕的可行性,并提出Mesom概念。Mesom定位为微型卫星任务,拟利用太阳—地球—月球系统的混沌动力学,每月获取一次高质量内日冕测量,单次观测窗口最长可达48分钟,显著长于地球上零星的全日食观测时长。

项目方面,Mesom由英国航天局资助,其可行性研究已发展为由伦敦大学学院穆拉德空间科学实验室牵头的国际联盟,合作方包括萨里大学、阿伯里斯特威斯大学,以及来自西班牙、美国和澳大利亚的合作伙伴。该项目近期已提交欧洲航天局,作为未来任务候选。当前任务设计计划于2030年代发射,在两年名义科学运行期内返回至少400分钟的高分辨率、低高度日冕观测数据。研究团队表示,若在地球上获取同等数据,观测者需等待超过80年。

本文内容据The Conversation文章整理,原文采用知识共享许可协议发布。


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