莎拉·弗雷泽，美国宇航局戈达德太空飞行中心 帕克太阳探测器接近太阳的插图
学分:美国国家航空航天局/约翰·霍普金斯大学应用物理实验室/史蒂夫·格里本 理解我们的空间环境的核心是了解整个空间的条件——从太阳到行星大气到深空的辐射环境——是相互关联的
研究这种联系——一个被称为太阳物理学的科学领域——是一项复杂的任务:研究人员在无处不在的太阳物质外流的背景下跟踪物质、辐射和粒子的突然爆发
2020年初的一系列事件创造了一个近乎理想的天基实验室，将人类一些最好的天文台——包括第四次飞越太阳期间的帕克太阳能探测器——与太阳活动的平静期结合在一起，当时最容易研究这些背景条件
这些条件为科学家提供了一个独特的机会，以多种观察角度和离太阳不同的距离来研究太阳如何影响整个空间各点的条件
太阳是一颗活跃的恒星，它的磁场遍布整个太阳系，由太阳不断流出的称为太阳风的物质携带
它影响宇宙飞船并塑造整个太阳系的环境
几十年来，我们已经观察了太阳、近地空间和其他行星，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:帕克太阳能探测器，计划最终飞行到大约3
离太阳可见表面8300万英里
帕克现在已经和太阳有了四次亲密接触
(帕克第一次与太阳相遇的数据已经揭示了太阳大气的新情况
在跨越2020年1月和2月部分时间的第四次太阳相遇期间，航天器直接在太阳和地球之间通过
这给了科学家一个独特的机会:帕克太阳探测器在最靠近太阳的时候测量的太阳风将在几天后到达地球，在那里风本身及其影响可以由航天器和地面天文台测量
此外，地球上和附近的太阳观测站可以清楚地看到产生太阳风的太阳位置，该太阳风是由帕克太阳探测器测量的
“我们从帕克的数据中知道，在太阳表面或其附近存在某些结构
马里兰州劳雷尔的约翰霍普金斯应用物理实验室的帕克太阳探测器项目科学家努尔·拉欧菲说:“我们需要观察这些结构的来源区域，以充分了解它们是如何形成、演化并对太阳风中的等离子体动力学做出贡献的。”
“地面观测站和其他空间任务提供了辅助观测，有助于全面了解帕克正在观测的情况
" 这张来自帕克太阳探测器的WISPR仪器的可见光图像动画序列显示了一条日冕流光，该流光是在2011年1月20日帕克太阳探测器靠近近日点时观察到的
28, 2020
学分:美国宇航局/约翰·霍普金斯APL/海军研究实验室/帕克太阳能探测器 这种天体排列在任何情况下都会引起科学家们的兴趣，但它也与科学家们感兴趣的另一个天文周期相吻合:太阳最小值
这是太阳正常的大约11年活动周期中，太阳活动处于最低水平的时刻——因此太阳上突然爆发，如太阳耀斑、日冕物质抛射和高能粒子事件的可能性较小
这意味着研究太阳极小值附近的太阳对科学家来说是一件好事，他们可以观察到一个更简单的系统，从而理清哪些事件会导致哪些影响
“这个时期为追踪太阳风从太阳到地球和行星提供了完美的条件，”科罗拉多州博尔德高海拔天文台的太阳科学家朱利安娜·德·托马说，他领导了这次观测活动中各天文台之间的协调
“这是一个我们可以更容易地跟随太阳风的时代，因为我们没有来自太阳的扰动
" 几十年来，科学家们一直在收集太阳活动最少时期的观测数据，这项工作由高海拔天文台的太阳能科学家萨拉·吉布森和其他科学家共同领导
在过去的三个太阳活动最小期的每一个时期，科学家们汇集了来自不断扩大的太空和地面观测站的观测数据，希望关于未受干扰的太阳风的丰富数据将揭示关于它是如何形成和演变的新信息
在这个太阳活动最少的时期，科学家们从2019年初开始，在整个日光层和行星相互作用(简称WHPI)的保护伞下，开始收集协调一致的观测数据
这次特别的WHPI活动包括了比以往任何时候都更广泛的观测:不仅涵盖了太阳和对地球的影响，还涵盖了在火星收集的数据和整个太阳系的空间性质——所有这些都与帕克太阳探测器第四次也是最近一次飞越太阳相一致
WHPI的组织者聚集了来自世界各地的观察员
结合来自地球和太空中数十个天文台的数据，科学家们有机会描绘出可能是有史以来最全面的太阳风图像:从用太阳望远镜拍摄的太阳风诞生图像，到用帕克太阳探测器在太阳风离开太阳后不久采集的样本，再到对太阳风在整个空间中变化状态的多点观测
请继续阅读，查看在这次太阳和太空天文台的国际合作中获取的数据样本
夏威夷莫纳罗亚太阳观测站的数据显示，1月20日，一股物质喷射到了太阳南极附近
2020年10月21日(世界协调时)
该差异图像是通过从当前图像中减去前一图像的像素来突出显示变化而创建的
荣誉:莫纳罗亚太阳天文台/科尔 帕克太阳能探测器 帕克太阳探测器在WHPI战役期间近距离经过太阳的早期数据显示，太阳风系统比在近地观测中看到的更加动态
特别是，科学家们希望全套数据——2020年5月下载到地球——将揭示动态结构，如处于早期发展阶段的微小日冕物质抛射和磁通量绳，这些是其他天文台在更远的地方观察不到的
像这样的连接结构，以前太小或太远看不到，与太阳风和近地测量相结合，可能有助于科学家更好地理解太阳风在其一生中是如何变化的，以及它在太阳附近的起源如何影响它在整个太阳系的行为
莫纳罗亚太阳天文台 帕克太阳能探测器对太阳风结构的近距离观察得到了地球和太空中的太阳能观测站的补充，它们有更大的视野来捕捉太阳风结构
夏威夷莫纳罗亚太阳观测站的数据显示，1月20日，一股物质喷射到了太阳南极附近
21, 2020
像这样的日冕喷射是太阳风的一个特征，科学家们希望用帕克太阳探测器更密切地观察它，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
“如果帕克太阳探测器观察到这种喷射流，那将是非常幸运的，因为它将在喷射流形成后不久提供等离子体和喷射流内部及周围磁场的信息，”捕获这些图像的莫纳罗亚太阳天文台日冕地磁观测台K-日冕仪的首席科学家琼·伯克皮勒说
美国国家航空航天局的日地关系观测站，或立体观测站，拍摄了曝光时间更长的额外图像，以改善太阳风中的结构视图
这些不同的图像，跨越2010年1月
21-23，2020，是通过从当前图像中减去先前图像的像素来突出显示变化而创建的
信用:美国宇航局/立体声 日地关系观测站 除了从帕克太阳探测器和近地观测到的太阳风，科学家们还从美国宇航局的太阳动力学观测站和日地关系观测站等航天器上获得了太阳及其大气层的详细图像
美国国家航空航天局的日地关系观测站，从距离地球78度的有利位置可以清楚地看到太阳
在这次WHPI竞选中，科学家们利用了这一独特的视角
从一月
21-23日——当帕克太阳探测器和立体望远镜对准时，立体望远镜任务小组增加了日冕图拍摄图像的曝光时间和频率，揭示了太阳风从太阳快速射出时的细微结构
这些差异图像是通过从当前图像中减去前一幅图像的像素来突出显示变化而产生的，这里显示了一个小的CME，否则很难看到
太阳动力学观测站(SDO)拍摄了整个太阳的高分辨率视图，揭示了太阳表面和太阳低层大气的细节
这些图像是在波长为171埃的极紫外光下拍摄的，突出了太阳外层大气的宁静部分——日冕
这些数据——连同空间数据组织在其他波长下的图像——描绘了太阳的大部分活动，使科学家能够将帕克太阳能探测器和其他航天器的太阳风测量结果与它们可能的太阳起源联系起来
数据建模 美国宇航局的太阳动力学观测站一直关注着太阳
这些在极紫外光波长下拍摄的图像，跨度为2007年1月
2月15日
11, 2020
信用:美国国家航空航天局/航天发展组织 理想情况下，科学家们可以使用这些图像来很容易地确定太阳上产生特定太阳风流的区域，该区域由帕克太阳能探测器测量，但是确定航天器观察到的任何给定太阳风流的来源并不简单
一般来说，引导太阳风从太阳北半部流出的磁力线指向与南半部相反的方向
2020年初，帕克太阳探测器的位置正好位于两者之间的边界——一个被称为日光层电流片的区域
马里兰州格林贝尔特的美国宇航局戈达德太空飞行中心的太阳能科学家尼克·阿尔杰说:“对于这个近日点来说，帕克太阳能探测器非常接近当前的状况，所以无论如何轻轻一推，都会使磁足点向南极或北极移动。”
“我们正处于转折点，有时向北，有时向南
" 预测帕克太阳能探测器处于临界点的哪一边是建模团队的责任
利用我们对太阳磁场的了解和我们从遥远的太阳图像中收集到的线索，他们每天都在预测，准确地说，在太阳的哪个地方产生了太阳风，帕克会在某一天飞过
几个建模小组每天都试图回答这个问题
通过测量太阳表面的磁场，每个小组每天都对帕克太阳探测器飞过的产生太阳风的源区进行预测
阿尔杰与美国国家航空航天局戈达德太空中心的太阳能科学家沙埃拉·琼斯合作，后者在WHPI战役期间每天都进行预测，使用的模型最初是由阿尔杰及其同事王一鸣和尼尔·谢利开发的，称为WSA模型
根据他们的预测，在观测活动中，太阳风的预测来源突然在两个半球之间转换，因为当时地球的轨道也与日光层电流片紧密对齐——在该区域，磁极方向和太阳风的来源在南北之间转换
他们预测，飞行在与地球相似的平面上的帕克太阳探测器，在靠近太阳飞行时，将经历类似的太阳风源和磁极转换
太阳风模型依赖于太阳表面磁场的日常测量——这是黑白图像的基础
这个特殊的模型使用了来自国家太阳天文台全球振荡网络组的测量结果，以及一个专注于预测太阳表面磁场将在几天内如何变化的模型
创建这些磁表面地图本身是一个复杂而不完美的过程，一些参与WHPI活动的建模小组也使用了来自多个观测站的磁测量结果
这一点，加上每组模型的差异，产生了一系列的预测，有时会将帕克太阳探测器的太阳风源放在太阳的两个不同半球
但是考虑到模拟太阳风来源的内在不确定性，这些不同的预测实际上可以使操作更加稳健
太阳的“开放”磁场——在这个模型中显示为蓝色和红色，环形或封闭的磁场显示为黄色——主要来自太阳极小期的太阳北极和南极附近，但它会向外扩散，填满靠近太阳赤道的空间
荣誉:美国国家航空航天局/尼克·阿尔杰 “如果你能用两个望远镜在两个不同的地方观察太阳，你就有更好的机会找到正确的地点，”琼斯说
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磁场
当它到达地球时，它可以像钟一样敲响我们星球的自然磁场，使它弯曲和变形——这在地球表面的某些点上产生了可测量的磁场强度变化
我们跟踪这些变化是因为磁场振荡会导致大量的空间天气效应，干扰航天器，甚至偶尔干扰地面的公用电网
自19世纪50年代以来，许多地面磁力计一直在跟踪这些影响，它们是科学家们在这场运动中收集的许多数据集之一
其他地面仪器可以揭示太空天气对我们大气层的无形影响
一个这样的系统是扑克平台非相干散射雷达，或PFISR——一个基于阿拉斯加费尔班克斯附近扑克平台研究范围的雷达系统
这种雷达经过特别调整，能够探测到地球磁场扰动的最可靠的迹象之一:地球高层大气中的电子
当被捕获在磁层中的粒子被一系列复杂的事件送入地球大气层时，这些电子就产生了，这一系列情况被称为磁层亚暴
1月20日
16年，在一次这样的亚暴期间，太阳物理研究所测量了地球高层大气中不断变化的电子
在亚暴期间，粒子级联到高层大气中，不仅产生由雷达测量的电子簇射，还产生更明显的效果:极光
PFISR使用多束指向不同方向的雷达，这使得科学家能够建立一个三维图像，显示在整个亚暴过程中大气中的电子是如何变化的
这个模型运行——由尼克·阿尔杰和莎埃拉·琼斯使用WSA模型制作——说明了太阳风的预测来源，太阳风将在几天后影响地球，时间跨度为1月20日
2月10日
3, 2020
靠近太阳南北两极的彩色区域显示了太阳风流出的区域，红色区域显示了较快的气流，蓝色区域显示了较慢的气流
太阳上的黄线划分出磁极相反的区域
白线表示在给定日期到达地球的太阳风的预测原点
黑白底层图像显示了太阳表面的磁场图，这是模型预测的基础
黑色区域是磁场向内指向太阳的地方，白色区域是磁场向外指向远离太阳的地方
荣誉:美国国家航空航天局/尼克·阿尔杰/谢拉·琼斯 因为这次亚暴发生在观测活动的早期——仅仅在数据收集开始后的一天——它不太可能是由活动期间观测到的太阳条件引起的
但即便如此，磁层亚暴和由太阳风产生的更广泛的全球范围的效应——称为地磁风暴——之间的联系还没有被完全理解
“这种亚暴不是在磁暴时期发生的，”罗杰·瓦尼说，他是位于加利福尼亚州门罗公园的斯坦福国际研究所的首席研究员
“这次事件中的太阳风是波动的，但不是特别强烈——基本上是背景噪音
但是太阳风基本上从不稳定；它不断向磁气圈注入能量
" 这种能量在地球磁系统中的沉积具有深远的影响:首先，地球高层大气成分和密度的变化会扰乱通信和导航信号，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，给精确定位带来不确定性
专家 地球并不是唯一一个太阳风有显著影响的星球——研究太阳系中的其他星球可以帮助科学家了解太阳风对地球的影响，以及它是如何在整个太阳系的历史中影响地球和其他星球的进化的
在火星上，太阳风加上火星缺乏全球磁场，可能是红色星球今天干燥贫瘠的主要因素
尽管火星曾经很像地球——温暖，有液态水和厚厚的大气层——但在它40亿年的历史中，这个星球发生了巨大的变化，大部分大气层被剥离到了太空
通过在地球上观察到的类似过程，科学家们利用对火星上太阳-行星相互作用的理解来确定导致大气逃逸的过程如何能够改变一颗行星是否适合居住
今天，火星大气和波动演化任务，或MAVEN，在火星研究这些过程
火星上的微型飞行器观测可用于最近的WHPI战役
阿拉斯加扑克滩的扑克滩非相干散射雷达对地球高层大气中的电子进行三维测量
这些电子是由产生极光的相同过程产生的，这是1月20日在阿拉斯加上空拍摄极光的扑克平顶全天空照相机拍摄到的
16, 2020
信用:扑克平板非相干散射雷达(NSF)/扑克平板全天空照相机(阿拉斯加费尔班克斯大学)/唐·汉普顿 在接下来的几个月里，世界各地的太阳物理学家将开始深入研究来自这些天文台的数据，希望从中得出联系，揭示关于太阳及其变化的新知识，这些变化影响着整个太阳系的地球和太空
帕克太阳探测器是美国国家航空航天局太阳物理与恒星共存项目的一部分，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
“与星共存”项目由马里兰州格林贝尔特的美国宇航局戈达德太空飞行中心为华盛顿的美国宇航局科学任务委员会管理
位于马里兰州劳雷尔的约翰·霍普金斯应用物理实验室设计、建造并运行该航天器，并为美国国家航空航天局管理该任务
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