在20世紀(jì)80年代早期，太陽(yáng)物理學(xué)家需要答案，他們想要學(xué)習(xí)如何保護(hù)宇航員和地球周?chē)馁Y產(chǎn)，使其免受動(dòng)蕩的太陽(yáng)造成的潛在破壞性太空天氣影響。要做到這一點(diǎn)，需要更好地了解地球周?chē)粩嘧兓?、?dòng)態(tài)的空間系統(tǒng)：包括太陽(yáng)風(fēng)屬性的測(cè)量，以及來(lái)自太陽(yáng)的帶電粒子的不斷翻騰。

響應(yīng)這一號(hào)召的是名為“WIND”的任務(wù)，它于25年前于1994年11月1日發(fā)射升空。目前，WIND在第一個(gè)拉格朗日點(diǎn)L1軌道上運(yùn)行，L1是太陽(yáng)和地球之間的引力平衡點(diǎn)，這使得航天器可以隨時(shí)面對(duì)太陽(yáng)。

在過(guò)去的25年中，WIND一直在研究充滿地球之間空間的帶電粒子（等離子體）的加熱氣體。這些觀測(cè)使科學(xué)家們能夠了解太陽(yáng)風(fēng)及其與近地環(huán)境的相互作用。WIND數(shù)據(jù)有助于闡明太陽(yáng)風(fēng)的性質(zhì)，強(qiáng)烈的空間天氣和星際空間，以及幫助其他航天器進(jìn)行近距離研究太陽(yáng)。到目前為止，WIND的數(shù)據(jù)已被5000多種出版物使用。25年來(lái)，它一直在穩(wěn)定地獲取數(shù)據(jù)，在目前軌道上有足夠的燃料可以持續(xù)到2074年。WIND的科學(xué)成果是驚人的，以下是過(guò)去25年來(lái)最酷的一些結(jié)果：

1、太陽(yáng)射電

在Wind任務(wù)的早期，WIND調(diào)諧到了太陽(yáng)的無(wú)線電頻率。通過(guò)傾聽(tīng)，WIND能夠探測(cè)到從太陽(yáng)傳來(lái)的嗡嗡聲，太陽(yáng)在歌唱。通過(guò)跟蹤這個(gè)頻率的微小變化，科學(xué)家可以遠(yuǎn)程觀察太陽(yáng)表面和接近地球的太空天氣。

2、星際塵埃

在觀察的最初幾年，科學(xué)家們注意到WIND的電場(chǎng)探測(cè)器發(fā)生了一些有趣事情。時(shí)不時(shí)地，數(shù)據(jù)中會(huì)出現(xiàn)一個(gè)很大的峰值。最終，科學(xué)家們確定了來(lái)源：撞擊航天器的超高速塵埃顆粒。當(dāng)這些塵埃顆粒撞擊風(fēng)時(shí)，它們會(huì)在撞擊時(shí)產(chǎn)生微小的等離子體爆炸，從而導(dǎo)致儀器上的電場(chǎng)尖峰。

這些粒子可以來(lái)自太陽(yáng)系內(nèi)部或外部，但由于太陽(yáng)風(fēng)的影響，大多數(shù)星際粒子被擋在外面。在太空中沒(méi)有很多工具來(lái)探測(cè)它們。到目前為止，WIND已經(jīng)測(cè)量到超過(guò)10萬(wàn)個(gè)塵埃顆粒撞擊?？茖W(xué)家可以利用這些信息來(lái)確定這些塵埃的來(lái)源，并更好地了解太陽(yáng)影響之外的空間屬性。

3、確定日冕物質(zhì)拋射

WIND一直是幫助科學(xué)家理解日冕物質(zhì)拋射(CME)的重要組成部分。WIND的設(shè)計(jì)是為了測(cè)量日冕物質(zhì)拋射經(jīng)過(guò)時(shí)的磁場(chǎng)，日冕物質(zhì)拋射是太陽(yáng)物質(zhì)的巨大云層，從太陽(yáng)上爆發(fā)出來(lái)，拉動(dòng)太陽(yáng)磁場(chǎng)。

自20世紀(jì)80年代以來(lái)，科學(xué)家們已經(jīng)提高了此項(xiàng)能力，以確定哪些CME會(huì)撞擊地球，哪些會(huì)錯(cuò)過(guò)地球，這是基于WIND在CME經(jīng)過(guò)時(shí)觀察到的內(nèi)容。這使得今天的空間氣象科學(xué)家能夠制造出更精確的模型，讓他們能夠通過(guò)觀察日冕物質(zhì)拋射靠近地球時(shí)的樣子來(lái)確定日冕物質(zhì)拋射將襲擊哪里。

4、能長(zhǎng)期持續(xù)的原因

25年后，WIND任務(wù)還沒(méi)有完成，WIND有足夠的燃料繼續(xù)在軌道上運(yùn)行并獲取數(shù)據(jù)直到2074年，另一個(gè)55年的科學(xué)。但它是怎么在上面呆了這么長(zhǎng)時(shí)間的？首先，它在自旋穩(wěn)定的軌道上。這意味著它像陀螺一樣自轉(zhuǎn)，這使它在軌道上保持穩(wěn)定。這也意味著WIND不需要使用太多的燃料來(lái)保持原地不動(dòng)。它也受到了很好的保護(hù)，即高導(dǎo)電性，因此太陽(yáng)風(fēng)和其他與之相互作用的粒子對(duì)航天器來(lái)說(shuō)是“不受關(guān)注”的。

5、高確定性

在航天器工程的頂端，儀器被設(shè)計(jì)為三重冗余，這意味著有三個(gè)獨(dú)立的等離子體密度測(cè)量。有了這些冗余系統(tǒng)，就可以進(jìn)行高度精確的數(shù)據(jù)分析，這意味著WIND可以用來(lái)校準(zhǔn)其他航天器上的儀器。WIND將這些數(shù)據(jù)記錄在兩個(gè)磁帶記錄器上，非常類(lèi)似于VHS或盒式磁帶。衛(wèi)星將數(shù)據(jù)發(fā)送回地球，只有收到數(shù)據(jù)后，WIND才會(huì)覆蓋該數(shù)據(jù)。

6、一個(gè)完整的太陽(yáng)周期

WIND長(zhǎng)壽使得它能夠觀察到一個(gè)完整的22年太陽(yáng)周期，在此期間整個(gè)太陽(yáng)磁場(chǎng)反轉(zhuǎn)極性的循環(huán)周期。也就是說(shuō)，每個(gè)磁極從正極切換到負(fù)極或反之亦然，然后再次切換回來(lái)。WIND的長(zhǎng)期、高精度觀測(cè)使科學(xué)家能夠在一個(gè)完整的太陽(yáng)周期內(nèi)對(duì)太陽(yáng)風(fēng)進(jìn)行唯一的單源連續(xù)觀測(cè)。

7、磁重聯(lián)

在繞過(guò)地球磁場(chǎng)的過(guò)程中，WIND偶然地飛越了一個(gè)區(qū)域，這個(gè)區(qū)域正在經(jīng)歷一個(gè)被稱為磁重聯(lián)的過(guò)程。當(dāng)磁力線扭曲并最終斷裂時(shí)，就會(huì)發(fā)生磁重聯(lián)。在地球附近，磁場(chǎng)向兩極飛回，帶著高能粒子束的等離子體束乘坐和令人興奮的粒子進(jìn)入地球上層大氣。當(dāng)WIND測(cè)量這個(gè)過(guò)程時(shí)，科學(xué)家們發(fā)現(xiàn)了一些有趣的事情：這個(gè)過(guò)程似乎是無(wú)碰撞的。

也就是說(shuō)，不是被推動(dòng)（一滴水推動(dòng)下一個(gè)鏈條事件產(chǎn)生電流的方式）粒子移動(dòng)是因?yàn)樗鼈兪艿酱艌?chǎng)的引導(dǎo)。這并不是我們所期望的，粒子傾向于相互反應(yīng)，但在無(wú)碰撞沖擊中，它們基本上忽略了彼此的存在。這一發(fā)現(xiàn)有助于解釋為什么觀察到的磁重聯(lián)比以前依賴于碰撞重聯(lián)預(yù)測(cè)的速度要快得多。

8、等離子體的不穩(wěn)定性

太陽(yáng)風(fēng)，盡管有這個(gè)名字，但它的行為與地球上的風(fēng)不同。WIND離它的來(lái)源太陽(yáng)越遠(yuǎn)，它就會(huì)變得越快越熱，這與我們?cè)诘厍蛏辖?jīng)歷的任何現(xiàn)象都不同。WIND的數(shù)據(jù)表明，太陽(yáng)風(fēng)中發(fā)生了一些事情，可以解釋這種神秘的性質(zhì)--離子回旋波。這是一口，但離子回旋波只是電磁波，其中的場(chǎng)旋轉(zhuǎn)的波狀節(jié)奏，同時(shí)也在太陽(yáng)風(fēng)中傳播出去。WIND表明，這些離子回旋波出現(xiàn)在地球附近的太陽(yáng)風(fēng)中。像Parker Solar Probe這樣的任務(wù)有能力測(cè)試這些波是否解釋了太陽(yáng)日冕加熱問(wèn)題。

9、氦與太陽(yáng)風(fēng)

WIND上的一個(gè)儀器發(fā)現(xiàn)了太陽(yáng)風(fēng)一個(gè)有趣的性質(zhì)。太陽(yáng)風(fēng)實(shí)驗(yàn)使用法拉第杯（一種電荷收集板）來(lái)測(cè)量太陽(yáng)風(fēng)中氫和氦的速度、密度和溫度。

在對(duì)太陽(yáng)風(fēng)進(jìn)行了10年超過(guò)250萬(wàn)次測(cè)量的研究過(guò)程中，科學(xué)家們注意到太陽(yáng)風(fēng)的速度從未低于每秒161英里（約259米/km），再慢一點(diǎn)，太陽(yáng)風(fēng)就無(wú)法逃脫太陽(yáng)表面。同時(shí)還發(fā)現(xiàn)，太陽(yáng)風(fēng)越快，其中氦的含量就越多，在最低速度下幾乎沒(méi)有觀察到任何氦。這告訴科學(xué)家，氦以某種方式幫助設(shè)定太陽(yáng)風(fēng)的速度，但科學(xué)家們?nèi)栽趯ふ覍?dǎo)致這一現(xiàn)象的確切過(guò)程。

10、磁通繩

WIND的高分辨率數(shù)據(jù)為一種名為磁通繩（通量繩）的太陽(yáng)現(xiàn)象頻率提供了新見(jiàn)解，磁通繩是從太陽(yáng)上脫落并與地球磁層相互作用的細(xì)磁場(chǎng)束。與更大的日冕物質(zhì)拋射不同，日冕物質(zhì)拋射在太陽(yáng)高峰期更頻繁地出現(xiàn)，而這些通量繩在太陽(yáng)極小期出現(xiàn)得更頻繁。

科學(xué)家們正繼續(xù)研究它們，以了解它們是如何與地球磁層相互作用。在過(guò)去的25年中，WIND的觀測(cè)為多種太陽(yáng)和等離子體現(xiàn)象提供了新見(jiàn)解，包括伽馬射線和動(dòng)力學(xué)物理。隨著它繼續(xù)對(duì)太陽(yáng)和近地空間的觀測(cè)，WIND將響應(yīng)等離子體和太陽(yáng)風(fēng)觀測(cè)的號(hào)召，并可能引入更多的謎團(tuán)來(lái)研究未來(lái)。

博科園｜研究/來(lái)自：美國(guó)宇航局戈達(dá)德太空飛行中心

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