NASA新任務(wù)將拍攝地球“隱形光環(huán)” 揭示大氣最外緣之謎

美國(guó)國(guó)家航空航天局（NASA）近日啟動(dòng)一項(xiàng)全新任務(wù)，計(jì)劃拍攝地球周?chē)蝗缀醪豢梢?jiàn)的微弱光輝——這道由氫原子發(fā)出的紫外光標(biāo)記著地球大氣的最外緣“外層大氣”（外逸層），被稱為“地日冕”，其形狀會(huì)隨著太陽(yáng)活動(dòng)不斷變化。

這一任務(wù)不僅旨在揭示這一巨大而稀薄“氫云”的真實(shí)尺度和動(dòng)態(tài)行為，也被視為保障未來(lái)阿耳忒彌斯登月宇航員安全、并探索行星宜居性的重要一步。

這項(xiàng)名為“卡魯瑟斯地日冕觀測(cè)臺(tái)”（Carruthers Geocorona Observatory）的任務(wù)于2025年9月24日從佛羅里達(dá)州肯尼迪航天中心發(fā)射，搭載SpaceX“獵鷹9號(hào)”火箭升空，與NASA的“星際映射與加速探測(cè)器”（IMAP）以及美國(guó)國(guó)家海洋和大氣管理局（NOAA）的“L1空間天氣后續(xù)”衛(wèi)星共同飛往地日L1拉格朗日點(diǎn)。L1位于地球軌道內(nèi)側(cè)、距離地球約一百萬(wàn)英里處，在這里，太陽(yáng)與地球的引力達(dá)到平衡，航天器能夠以較低燃料消耗長(zhǎng)期保持相對(duì)穩(wěn)定，有利于持續(xù)觀測(cè)太陽(yáng)及近地空間環(huán)境。

早在20世紀(jì)70年代，科學(xué)界對(duì)地球大氣究竟延伸到多高仍缺乏直接證據(jù)，尤其是自地表約300英里以上、由極為輕盈的氫原子構(gòu)成的外逸層，其空間范圍長(zhǎng)期存在不確定性。由于外逸層發(fā)出的紫外光極其微弱，只能通過(guò)所謂“地日冕”才能探測(cè)到，當(dāng)時(shí)的科學(xué)家?guī)缀鯚o(wú)法從地面直接觀測(cè)這一結(jié)構(gòu)。為此，開(kāi)創(chuàng)性的科學(xué)家兼工程師喬治·卡魯瑟斯（George Carruthers）開(kāi)始研制專門(mén)觀測(cè)紫外線的相機(jī)，并在多次探空火箭試驗(yàn)后，最終打造出可在太空運(yùn)行的成像儀器。

1972年4月，阿波羅16號(hào)宇航員將卡魯瑟斯的遠(yuǎn)紫外相機(jī)部署在月球笛卡爾高地，從月面“回望”地球，首次拍攝到地日冕的圖像。結(jié)果顯示，地球周?chē)@團(tuán)“輕飄飄”的氫云遠(yuǎn)遠(yuǎn)超出當(dāng)時(shí)預(yù)期，從月球的觀測(cè)點(diǎn)看仍無(wú)法完整納入視場(chǎng)，這令研究團(tuán)隊(duì)頗感震驚。后續(xù)研究認(rèn)為，地球外逸層至少延伸到地月距離的一半以上，其空間尺度遠(yuǎn)大于傳統(tǒng)意義上的大氣“邊界”。

外逸層的重要性遠(yuǎn)不止其“大小”本身。當(dāng)來(lái)自太陽(yáng)的爆發(fā)性活動(dòng)（如日冕物質(zhì)拋射）抵達(dá)地球時(shí)，首先遭遇的就是這層最外緣大氣，其與太陽(yáng)高能粒子和輻射的相互作用會(huì)引發(fā)一系列物理過(guò)程，有時(shí)會(huì)演化為威脅航天器和宇航員安全的強(qiáng)烈空間天氣事件。因此，監(jiān)測(cè)外逸層如何隨太陽(yáng)活動(dòng)起伏，對(duì)提升空間天氣預(yù)報(bào)能力、降低近地空間作業(yè)風(fēng)險(xiǎn)具有關(guān)鍵意義。

外逸層中的氫還與行星失水問(wèn)題密切相關(guān)。作為水分子（H?O）的組成部分，氫原子在高層大氣中逐漸逃逸至星際空間，被認(rèn)為是行星長(zhǎng)期水量演化的一個(gè)窗口。通過(guò)追蹤地球氫逃逸過(guò)程，科學(xué)家希望解釋為何地球能夠在漫長(zhǎng)地質(zhì)歷史中保持豐富水資源，而太陽(yáng)系內(nèi)許多行星和衛(wèi)星卻喪失了大量水分，這也為尋找宜居系外行星提供重要線索。

這次以“卡魯瑟斯”命名的新任務(wù)，首次以持續(xù)成像的方式對(duì)地球外逸層進(jìn)行電影般的記錄，目標(biāo)是在長(zhǎng)時(shí)間尺度上呈現(xiàn)其整體結(jié)構(gòu)及內(nèi)部動(dòng)態(tài)。項(xiàng)目首席研究者拉拉·沃爾德羅普（Lara Waldrop）在伊利諾伊大學(xué)厄巴納-香檳分校領(lǐng)導(dǎo)這一任務(wù)，該校也是喬治·卡魯瑟斯的母校。NASA戈達(dá)德太空飛行中心的任務(wù)科學(xué)家亞歷克斯·格洛塞爾（Alex Glocer）表示，過(guò)去從未有任務(wù)專門(mén)致力于外逸層觀測(cè)，此次獲得的連續(xù)數(shù)據(jù)將是前所未有的。

卡魯瑟斯探測(cè)器整備質(zhì)量約531磅，體積大致相當(dāng)于一張雙人沙發(fā)，將在發(fā)射后經(jīng)歷約四個(gè)月的飛行，抵達(dá)L1點(diǎn)附近的工作軌道。計(jì)劃在完成約一個(gè)月的在軌測(cè)試后，于2026年3月正式進(jìn)入為期兩年的科學(xué)觀測(cè)階段。在L1這一距離地球約為月球四倍遠(yuǎn)的位置，航天器將憑借兩臺(tái)紫外成像相機(jī)——“近場(chǎng)成像儀”和“廣角成像儀”——對(duì)外逸層進(jìn)行全景與局部聯(lián)合描繪。

其中，近場(chǎng)成像儀用于“拉近視角”，細(xì)致捕捉靠近地球的外逸層結(jié)構(gòu)如何在短時(shí)間內(nèi)隨空間環(huán)境變化而改變；廣角成像儀則承擔(dān)“遠(yuǎn)距俯瞰”的角色，記錄整個(gè)外逸層在遠(yuǎn)離地球處的擴(kuò)展尺度及隨時(shí)間的整體演化。兩套成像系統(tǒng)協(xié)同工作，將繪制出氫原子在外逸層中流動(dòng)乃至最終逃逸到太空的動(dòng)態(tài)圖譜?？茖W(xué)團(tuán)隊(duì)指出，理解地球上大氣逃逸的物理機(jī)制，有助于推斷系外行星大氣在不同恒星輻射環(huán)境下的演化速度，從而判斷它們?cè)陂L(zhǎng)期尺度上是否能夠維持適宜生命存在的環(huán)境。

卡魯瑟斯地日冕觀測(cè)臺(tái)由BAE系統(tǒng)公司負(fù)責(zé)設(shè)計(jì)和建造，任務(wù)由NASA戈達(dá)德太空飛行中心的探測(cè)者與日球物理項(xiàng)目處負(fù)責(zé)管理，隸屬于華盛頓NASA總部的日球物理司?？蒲袌F(tuán)隊(duì)期望，通過(guò)對(duì)唯一已知宜居行星——地球——外層大氣的精細(xì)成像與物理剖析，為未來(lái)在宇宙中尋找其他可能孕育生命的世界提供更明確的“參照模板”。

編譯自/ScitechDaily