版權(quán)：NASA

在20世紀(jì)80年代早期，太陽物理學(xué)家想要知道如何保護(hù)宇航員以及地球周圍的衛(wèi)星免受狂暴的太陽風(fēng)造成的潛在破壞性太空天氣的影響，他們需要答案。

為了做到這一點(diǎn)，他們需要更好地了解地球周圍不斷變化的動(dòng)態(tài)空間系統(tǒng) - 包括測(cè)量太陽風(fēng)的屬性，以及太陽不斷釋放的帶電粒子。響應(yīng)這一號(hào)召的是于25年前的1994年11月1日啟動(dòng)的“風(fēng)”任務(wù)（Wind mission）。目前，Wind衛(wèi)星的運(yùn)行軌道處于第一拉格朗日點(diǎn)L1處，這是太陽和地球之間的引力平衡點(diǎn)，使得航天器可以一直面向太陽。 

藝術(shù)家繪制的關(guān)于25年前，Wind航天器于1994年發(fā)射升空的情形。

版權(quán)：美國國家航空航天局戈達(dá)德太空飛行中心

在過去的25年里，Wind衛(wèi)星一直在研究充滿行星間空間的帶電粒子（即等離子體）的加熱氣體。這些觀測(cè)使科學(xué)家們得以了解太陽風(fēng)及其與近地環(huán)境的相互作用。Wind衛(wèi)星采集的數(shù)據(jù)有助于闡明太陽風(fēng)的特性、強(qiáng)烈的空間天氣和星際空間，同時(shí)也對(duì)其他航天器繼續(xù)近距離研究太陽提供幫助。

到目前為止，Wind衛(wèi)星的數(shù)據(jù)已被用于5000多份出版物，對(duì)近100個(gè)研究生學(xué)位的獲得提供了支持。25年來，它一直在穩(wěn)定地收集數(shù)據(jù)，并且有足夠的燃料可以在目前的軌道上維持到2074年。Wind衛(wèi)星的科學(xué)成果是驚人的，以下是過去25年來最酷的成果：

1. 太陽射電

在其早期任務(wù)中，Wind衛(wèi)星調(diào)到了太陽的無線電頻率。通過監(jiān)聽，Wind衛(wèi)星能夠探測(cè)到來自太陽的嗡嗡聲，太陽在歌唱。通過追蹤這一頻率的微小變化，科學(xué)家可以遠(yuǎn)程觀測(cè)太陽表面和接近地球的太空天氣。

2. 星際塵埃

在早期的觀測(cè)中，科學(xué)家們注意到Wind衛(wèi)星的電場(chǎng)探測(cè)器上發(fā)生了一些有趣的事情。數(shù)據(jù)中會(huì)時(shí)不時(shí)地出現(xiàn)一個(gè)很大的峰值。最終，科學(xué)家們確定了這些峰值的來源：撞擊航天器的超快速塵埃粒子。當(dāng)這些塵埃顆粒撞擊Wind衛(wèi)星時(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)峰值。這些粒子可能來自太陽系內(nèi)部或外部，但由于太陽風(fēng)的影響，大多數(shù)星際粒子被擋在外面。在太空中沒有很多工具來對(duì)其進(jìn)行探測(cè)。到目前為止，Wind衛(wèi)星已經(jīng)測(cè)量了超過10萬個(gè)塵埃粒子的撞擊?？茖W(xué)家們可以利用這些信息來確定這些塵埃的來源，并更好地了解太陽影響之外的太空的特性。

3. 了解日冕物質(zhì)拋射

Wind衛(wèi)星在幫助科學(xué)家們了解日冕物質(zhì)拋射（coronal mass ejections， CMEs）方面起了很大的作用。Wind衛(wèi)星的設(shè)計(jì)是被用于測(cè)量CMEs經(jīng)過時(shí)的磁場(chǎng)。日冕物質(zhì)拋射是由太陽物質(zhì)組成的巨大云團(tuán)，從太陽噴發(fā)而出，使太陽磁場(chǎng)也隨之發(fā)生變化。自20世紀(jì)80年代以來，科學(xué)家們已經(jīng)提高了此項(xiàng)能力，能夠基于Wind衛(wèi)星在CME經(jīng)過時(shí)觀測(cè)到的內(nèi)容，來判斷哪些CMEs會(huì)撞上地球，而哪些會(huì)錯(cuò)過地球。這使得如今的空間氣象科學(xué)家們能夠制作出更精確的模型，使他們能夠通過觀察CME接近地球時(shí)的樣子來確定日冕物質(zhì)將襲擊的位置。

4. 堅(jiān)持到最后

25年過去了，Wind衛(wèi)星任務(wù)依舊還未結(jié)束。Wind衛(wèi)星有足夠的燃料來維持其軌道運(yùn)行及數(shù)據(jù)獲取，直到2074年，又將是一個(gè)55年的科學(xué)研究。但它怎么能在那里停留這么久呢？首先，它處于自旋穩(wěn)定軌道。這意味著它像陀螺一樣自轉(zhuǎn)，使其得以在軌道上保持穩(wěn)定。這也意味著Wind衛(wèi)星不需要使用很多燃料就能保持在其位置上。此外，它也有受到了很好的保護(hù)，即高導(dǎo)電性，所以太陽風(fēng)和其他與之發(fā)生相互作用的粒子對(duì)航天器而言都是無關(guān)緊要的。

5. 高確定性

最重要的是航天器工程，Wind衛(wèi)星上的儀器被設(shè)計(jì)成三重冗余，這意味它有三個(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，這也意味著Wind衛(wèi)星可以用來校準(zhǔn)其他航天器上的儀器。Wind衛(wèi)星將這些數(shù)據(jù)記錄在兩個(gè)磁帶記錄器（很像VHS或盒式磁帶）里。Wind衛(wèi)星將數(shù)據(jù)發(fā)回地球，只有在數(shù)據(jù)被順利接收后，才會(huì)重寫數(shù)據(jù)。

6. 一個(gè)完整的太陽活動(dòng)周期

Wind衛(wèi)星的壽命使其得以觀察到22年的一個(gè)完整的太陽活動(dòng)周期，在這個(gè)周期中，整個(gè)太陽磁場(chǎng)的極性翻轉(zhuǎn)。也就是說，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。Wind衛(wèi)星長(zhǎng)期的高精度觀測(cè)使科學(xué)家們能夠在一個(gè)完整的太陽活動(dòng)周期內(nèi)對(duì)太陽風(fēng)進(jìn)行唯一的單源連續(xù)觀測(cè)。

7. 磁重聯(lián)

在繞行地球磁場(chǎng)的過程中，Wind衛(wèi)星偶然地飛越了一個(gè)正在經(jīng)歷磁重聯(lián)（magnetic reconnection）過程的區(qū)域。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，高能等離子體粒子束在地磁場(chǎng)的作用下飛向地球的兩極，這些帶電粒子在地球上層大氣中被激發(fā)。當(dāng)Wind衛(wèi)星測(cè)量這個(gè)過程時(shí)，科學(xué)家們發(fā)現(xiàn)了一些有趣的事情：這個(gè)過程似乎是無碰撞的。也就是說，粒子不是像一滴水推動(dòng)下一滴水產(chǎn)生電流那樣連鎖受碰撞力推動(dòng)，而是受磁場(chǎng)引導(dǎo)而移動(dòng)。這與預(yù)期不同。粒子傾向于相互反應(yīng)，但在無碰撞沖擊中，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測(cè)到的磁重聯(lián)比先前基于碰撞重聯(lián)所預(yù)測(cè)的速度要快得多。

8. 等離子體不穩(wěn)定性

盡管被稱作太陽風(fēng)，但其行為并非與地球上的風(fēng)相同。隨著太陽風(fēng)離太陽越來越遠(yuǎn)，其速度就越快，溫度也越高 - 這與我們?cè)诘厍蛏纤?jīng)歷的任何現(xiàn)象都不同。最近，Wind衛(wèi)星的數(shù)據(jù)表明，太陽風(fēng)中發(fā)生的一些事情可以解釋這種神秘的屬性 - 離子回旋波。這有點(diǎn)拗口（英語中稱作ion cyclotron waves），但離子回旋波只是一種電磁波，其電場(chǎng)以類似于波浪的節(jié)奏旋轉(zhuǎn)，同時(shí)也在太陽風(fēng)中傳播。Wind衛(wèi)星表明這些離子回旋波出現(xiàn)在地球附近的太陽風(fēng)中。像帕克太陽探測(cè)器（Parker Solar Probe）這樣的任務(wù)有能力來檢測(cè)這種波這是否解釋了太陽的日冕加熱問題。

NASA的任務(wù)繼續(xù)使用法拉第杯（Faraday cups）來研究太陽風(fēng)，就像于1994年發(fā)射的Wind衛(wèi)星的太陽風(fēng)實(shí)驗(yàn)（Solar Wind Experiment）中所使用的儀器一樣，如左圖所示。右圖是于2018年發(fā)射的帕克太陽探測(cè)器上的帕克太陽能杯（Parker Solar Cup）。

版權(quán)：左圖：NASA /麻省理工學(xué)院（MIT）；右圖：NASA/哈佛-史密森天體物理中心

9. 氦和太陽風(fēng)

Wind衛(wèi)星上的儀器發(fā)現(xiàn)了關(guān)于太陽風(fēng)的一個(gè)有趣特性。太陽風(fēng)實(shí)驗(yàn)使用法拉第杯（一種電荷收集板）來測(cè)量太陽風(fēng)中氫和氦的速度、密度及溫度。在對(duì)太陽風(fēng)進(jìn)行了為期10年超過250多萬次測(cè)量的研究期間，科學(xué)家們發(fā)現(xiàn)太陽風(fēng)的速度從未低于每秒161英里。若再慢一點(diǎn)，太陽風(fēng)就無法逃脫太陽表面。科學(xué)家們發(fā)現(xiàn)太陽風(fēng)速度越快，其中氦的含量就越多，在最低速度下幾乎觀測(cè)不到氦的存在。這些發(fā)現(xiàn)使科學(xué)家們得知，氦在某種程度上幫助確定了太陽風(fēng)的速度，但他們?nèi)栽谘芯繉?dǎo)致這一現(xiàn)象的確切過程。其他飛行距離離太陽更近的任務(wù)，如NASA的帕克太陽探測(cè)器和預(yù)計(jì)于2020年2月發(fā)射的歐洲航天局（ESA）的太陽軌道飛行器（Solar Orbiter），可能會(huì)為此提供額外的線索。

10. 磁通量繩

Wind衛(wèi)星的高分辨率數(shù)據(jù)為一種被稱為磁通量繩（flux ropes）的太陽現(xiàn)象的頻率提供了新見解。磁通量繩是脫離太陽并與地球磁層相互作用的細(xì)磁場(chǎng)束。與較大的CMEs不同，CMEs在太陽活動(dòng)峰（solar maximum）出現(xiàn)更加頻繁，而這些通量繩更經(jīng)常出現(xiàn)在太陽活動(dòng)谷（solar minimum）?？茖W(xué)家們正繼續(xù)對(duì)其進(jìn)行研究，以了解它們是如何與地球磁層相互作用。

在過去的25年里，Wind衛(wèi)星的觀測(cè)為多種太陽現(xiàn)象和等離子體現(xiàn)象提供了新的見解，包括伽馬射線和物理動(dòng)力學(xué)。隨著其對(duì)太陽和近地空間的觀測(cè)的繼續(xù)，Wind衛(wèi)星將響應(yīng)觀測(cè)等離子體和太陽風(fēng)的號(hào)召，并有可能為未來的研究帶來更多的奧秘。