为前往月球/火星的宇航员规划一条安全路线

发布: | 发布时间:2018-12-19,星期三 | 阅读:785

太阳城的好公民

在接下来的十年中,美国宇航局的目标是载人前往月球和火星,这是载人太空旅行中意义重大的一步。这样的旅程充满了挑战和危险,与第一批穿越大洋的探险者所面临的不同。这些探险者不会遇到暴风雨,而是在日光层(从太阳发出并包围着太阳系的磁场)的危险中起航。穿越这个区域的风险则取决于我们对其动力学的理解有多透彻。

美国宇航局总部(位于华盛顿特区)的项目科学家Terry Onsager说:“为了到达火星,航天器和宇航员将沉浸在日光层中,并且必须与之抗争。这个环境可能很严酷,但是我们准备好了。”

为了安全地航行在日光层中,美国宇航局的科学家和任务已经测绘了日光层数十年。最近的结果(从近地到横跨太阳系)正帮助我们为未来的太空探险者设计一条安全的道路。

安全前往火星

当宇航员离开地球周围保护性的磁泡泡(即磁层),他们会暴露在来自太阳的破坏性高能粒子辐射中。这些太阳高能粒子不断从太阳表面流出,可以破坏太空中的电子设备并损害生命组织。

2000年7月14日的日冕物质抛射(Coronal Mass Ejection,CME)的模拟显示,CME和随后的太阳高能粒子从太阳流出。紫红色和白色表示太阳的磁场线,彩色显示能量大于50MeV的质子通量(flux)。
Credits: Predictive Science Inc./University of New Hampshire/NASA Goddard/Joy Ng

“太阳表面周期性的爆发可以在辐射环境中大量增加高能粒子,当发生这种情况时,系统需要能处理,”Onsager说。

我们正在设计有辐射强化设备和安全区域的航天器,以便宇航员在可能持续数小时甚至数天的太阳风暴期间可以受到保护。除了这些保护性的设施,可靠的警报系统对于宇航员的安全至关重要。

美国宇航局的太阳动力学天文台(Solar Dynamics Obervatory,SDO)已经监视太阳八年。它拍摄的可见光和紫外线的图像使科学家们能够持续监测太阳表面状况,并了解可能发生的潜在活动。一旦在太阳表面发现爆发,SDO可以在辐射达到峰值之前给宇航员提前约半小时的警告。虽然这为宇航员提供了一些采取行动的时间,但最终需要改进空间天气预报(Space Weather Forecasting)以提供更先进的警告。

改善空间天气预报

预测空间天气(比如带有太阳高能粒子的太阳风)与地面天气预报没有什么不同。首先要观测太阳,正如全天候运行的SDO和美国宇航局其他太阳物理学(heliophysics)任务。然后将有关太阳活动的数据输入基于物理的计算机模型,来对太阳爆发的概率进行统计预测。这样,科学家就可以在可能发生此类事件时发出警告。

“无论是在地球还是深空,预测空间天气现象都非常非常复杂,”德国基尔大学的太阳物理学家Jingnan Guo说,“我们必须考虑从日地距离尺度(大约1.5千万公里)的波浪和喷发的物质在太空中传播到几米以下,可以看到粒子的湍流和动力的尺度。”

截至目前,我们对日光层中复杂的动力学的理解并不完整,这使预测变得困难;最好的模型仍处于发展的早期阶段。模拟空间天气的科学家们依靠美国宇航局的太阳物理学任务来改进他们的预测。

“如果你只有单点观测,这是很难建模甚至解释数据的。如果你有多点观测吃的数据,那么就可以完善模型,并确保基础理论能够再现那个事件,“美国宇航局戈达德太空飞行中心(位于马里兰州格林贝尔特)的空间天气科学家Leila Mays说。

去年,美国宇航局多个任务都观测到了强烈的太阳高能粒子事件。研究结果记录了火星和地球表面上发现的第一个粒子事件,最近发表在空间天气(Space Weather)杂志上。这次事件中,由日冕物质喷射(即太阳表面喷出的气体和高能粒子的猛烈爆炸)驱动的强烈冲击加速的高能粒子在离开太阳后首次被检测到。科学家们使用地面仪器和模型来追踪物质在日光层中的移动,并测量它们到达地球和火星时的强度。


Credits: Predictive Science Inc./University of New Hampshire/NASA Goddard/Joy Ng

Credits: CCMC/NASA Goddard/Tom Bridgman

这种多点观测对于理解太阳射出的粒子如何穿过太阳系是至关重要的。关于辐射如何传播的知识最终有助于改进模型,为宇航员可能遇到的有潜在危险的空间天气事件提供更高级的预警。

“尽管这是我们在火星表面观测到的最大的太阳高能粒子事件,但它对那里的宇航员来说不会有危险,”撰写该论文的Guo说,“然而,更大的太阳高能粒子事件是可能的,这个事件有助于我们理解它可能是什么样子。”

科学家们将继续利用地面仪器以及美国宇航局的太阳物理学航天器来研究空间天气,但未来的任务将提供新的视角。

“我们需要更多数据,希望从帕克太阳探测器(Parker Solar Probe)获得一些,因为它靠近太阳,这里有被加速的有害高能粒子,”Mays说,“我们假设的模型中有这种加速过程,帕克的测量结果有助于改善我们的理论。”

目前,好奇号火星探测器(Curiosity Rover)上的辐射评估探测器已经测量了火星表面的高能辐射,这些数据帮助科学家了解人类在访问这颗红色星球时将接触到多少辐射。自20世纪80年代以来,美国宇航局和美国国家海洋和大气管理局(NOAA)联合参与的静止环境观测卫星(Geostationary Operational Environmental Satellite,GOES)计划一直在为现在的宇航员的进行高能粒子测量。研究粒子辐射的仪器也将结合未来的航天器和月球轨道平台门户(Lunar Orbital Platform-Gateway,LOP-G),即绕行月球的空间站。

美国宇航局戈达德太空飞行中心的科学家Antti Pulkkinen说:“未来的深空探测器不仅能够保护机上人员,还能同时进行新的科学实验,它们将实现这一双重目的。”

这些测量将不仅仅受益空间天气预报,它们还将帮助我们了解离家更近的事物,比如月球。

月球的新见解

毫无疑问,重返月球将为了解我们最近的太空邻居打开新的大门。毕竟直到人类第一次踏上月球,我们才了解它的起源。时至今日,我们仍然在发现新的东西。美国宇航局的任务比如ARTEMIS(Acceleration, Reconnection, Turbulence, and Electrodynamics of Moon’s Interaction with the Sun)正在揭示月球微薄大气的新见解。

事实上,月球上并非无气体。它有一层薄的大气层,散逸层(exosphere),主要由氢,氦,氖和氩组成,延伸到地表以上约一百六十公里。在散逸层的上缘混合着稀薄的电离层(ionosphere),由太阳光激发散逸层的原子形成。

月球的散逸层延伸至地表以上几百公里。太阳光使散逸层的一部分电离,产生的电离层比地球的强度大约弱一百万倍。
Credits: NASA’s Goddard Space Flight Center/Mary Pat Hrybyk-Keith

爱荷华大学的ARTEMIS项目科学家,也是一篇关于月球电离层的新研究(A Tenuous Lunar Ionosphere in the Geomagnetic Tail)的第一作者,Jasper Halekas说:“月球电离层的密度比地球的密度低一百万倍,因此很难直接测量这些带电粒子。”

通过使用新技术分析ARTEMIS的数据,Halekas和他的团队能够直接测量电离层。他们注意到电离层每到满月扩大,并与地球的电离层相互作用,这意味着带电粒子很可能在两个天体的电离层之间来回运动。

“月球的存在实际上可能会影响地球的磁层,”Halekas说,“这可能会扰乱局部的环境。”

去往月球的新任务使我们能研究地表的电离层和散逸层,我们便可以更好地理解这种相互作用以及我们的大气如何与月球的相关联。

新的结果也可能有助于我们更好地了解小天体上的大气层是如何产生并维持的。

“相同的技术可以应用于太阳系中许多拥有像月球一样稀薄大气的其他天体,”Halekas说,“这将包括:外行星(outer planets)周围的卫星,小行星带中较大的小天体,柯伊伯带(Kuiper belt)、甚至太阳系外的天体。”

自信地出发

尽管肯定会有无数新发现,还是很难预测人类前往月球和火星的旅行将会发现些什么。可以肯定的是,太阳物理学将帮助我们实现这一目标。研究太阳物理学和空间天气对保护我们太空中的宇航员和资产至关重要。而且毫无疑问,这次穿越太阳系的旅程将引向日光层的新发现,为以后的太空探险家开拓出更安全的太空之路。

相关链接

了解有关美国宇航局Moon to Mars计划的更多信息: https://www.nasa.gov/topics/moon-to-mars

了解有关NASA太阳动力学天文台的更多信息: https://www.nasa.gov/mission_pages/sdo/main/index.html

了解有关NASA对太阳-地球系统研究的更多信息: https://www.nasa.gov/mission_pages/sunearth/index.html

了解有关NASA ARTEMIS任务的更多信息: https://www.nasa.gov/artemis


来源:NASA爱好者


 

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