在1.5億公里外部署一顆衛星，為地球提供太陽風暴預警

太陽，作為太陽系中心的恆星，不僅為地球帶來了能量，孕育出生命，其一舉一動更是影響著其他天體。對於人類而言，壽命超過 45 億年的太陽具有非凡的科研價值，更好地了解它，不僅可以幫助我們探索宇宙和天體的奧秘，還關乎到地球的命運和人類的日常生活。

近來，歐洲空間局（ESA）打算從沒嘗試過的拉格朗日 L5 點監控太陽活動，預計在 2025 年之後建立相關預警機制。該項目將圍繞太陽風暴展開，在出現太陽風暴等劇烈活動時通知人類，盡可能減少其負面影響。如果成功，它將成為第一個持續停留在 L5 點周圍的探測器。

為什麽要在意太陽風暴？

太陽風暴指的是太陽上出現了一系列規模巨大的能量爆發現象，通常還會伴隨日冕物質拋射，把數十億噸攜帶著巨大能量的帶電物質釋放到太空中。它們一旦接近地球，會對太空中的設備造成損害，還會干擾地球磁場，造成地磁風暴、電離層擾動和地面感應電流，影響衛星、無線通信、導航和電力等系統的正常工作。

有歷史記錄以來，最強大的太陽風暴發生於 1859 年 9 月，也被稱為卡靈頓事件。由於大量的帶電粒子（太陽風）進入了地球磁場，甚至連熱帶地區的古巴都出現了極光。在歐洲和北美，屬於當時主流通訊手段的電報系統則出現過載，電子設備輕則火花飛濺，重則直接著火。

也許這樣的太陽風暴可能只是數百年一遇，但就算是普通的太陽風暴也可能造成難以想象的後果。比如在 1967 年 5 月，正值美蘇冷戰期間，受太陽風暴影響，美國北半球的彈道導彈預警系統雷達突然中斷。美軍懷疑是蘇聯干擾，雙方一度陷入劍拔弩張的境地。

我們應該感到幸運，如此大規模的磁暴沒有出現在高度依賴科技的今天，否則小到一顆芯片，大到一架飛機，絕大部分依賴無線通信的設備都可能出現異常，而且無法推測會以什麽樣的形式展現出來，比如衛星，手機和網絡服務被切斷，或者各國電網遭到破壞，出現全球大規模停電，造成的經濟損失可能高達數兆美元。

雖然人類發射了無數顆衛星和航天器，但目前只有一艘探測器負責監控太陽活動，名為太陽和太陽風層探測器（Solar and Heliospheric Observatory Satellite，縮寫為 SOHO）。它於1995年發射升空，主要用於監控太空氣象，尤其是日冕物質拋射活動，因此它就像人類在太空的眼睛一樣，是監控和預測太陽風暴的重要工具。

SOHO 通過觀察太陽風，日冕物質拋射和太陽耀斑等現象來判斷是否有大型太陽風暴。到目前為止，它的服役時間已經超過預期時間的 4 倍。雖然 ESA 認為它還可以使用到 2022-2024 年，但建造另一個更先進的探測器已經迫在眉睫，否則我們將面臨隨時“失明”的風險。

“拉格朗日任務”

與 SOHO 和其它太空天氣探測器不同，ESA 這次打算從一個新的角度觀測太陽：拉格朗日 L5 點，離地球大約一個天文部門（約 1.5 億公里）。

拉格朗日點，是天體力學中重要概念，它描述了一個小物體於兩個巨大質量天體引力範圍內的特殊位置。在該點處，兩個天體的引力可以相互抵消，因此相對於兩者，小物體基本保持靜止。

在三者組成的系統內（三體問題），共有 5 個拉格朗日點，即 L1，L2，L3，L4 和 L5，它們的位置如下圖所示。

圖 | 5個拉格朗日點的位置（來源：NASA）

在這裡，探測器代表了一個小物體，太陽和地球代表了剩下的兩個大型天體。L5 點位於一個穩定的引力平衡點，與太陽和地球組成一個等邊三角形，非常適合觀測向地球傳播的太陽風暴，觀測範圍覆蓋了整個日地空間。

SOHO 位於日地之間的 L1 位置，因為發射和停留所消耗的能量比較少，還可以很直觀地觀測太陽。但它的缺點在於，只能看到太陽的一面，預測時間較短，因此 ESA 才決定將下一台探測器部署在 L5 點，從側面監控太陽活動，兩者形成互補。而且新探測器還可以監控太陽尚未轉向地球的表面，增加預測的提前量。(太陽的自轉周期約為 27 天）

除此之外，在兩台探測器的幫助下，預測精準度也會有所提高。目前，最快的日冕拋射物只需要 15-18 個小時就可以到達地球，而 SOHO 的預測精度在 6-12 小時左右。ESA 預計，如果配合 L5 點的新探測器，對日冕拋射物質的預測精度有望提高一倍左右。

將預警時間提前數個小時，是一項很有價值的投資。面對較弱的太陽風暴，NASA 等相關機構可以提醒國際空間站成員，不要安排太空行走，同時通知電網和通信機構，準備好備用方案，以免基礎服務大規模中斷。

如果超級太陽風暴來襲，衛星、GPS、電網、互聯網和交通等系統都會受到影響，相關機構必須采取停運或其他保護措施，避免設備出現大規模故障，威脅使用者的生命安全。

從技術角度分析，ESA 的項目很具有挑戰性。L5 點距離地球約 1.5 億公里，是 SOHO 所在的 L1 點的 100 倍，這意味著數據的傳輸速率會大大降低，如何滿足太陽風暴預警的時效要求，是工程師必須克服的技術難關之一。而且想要在地球旋轉的過程中，始終接收到探測器的信號，ESA 需要在現有的Estrack 觀測站網絡中，找到三個均勻分布的觀測站協同工作。

此外，太陽風暴還會對探測器本身造成影響，所以它必須能夠承受住極強的異塵餘生和磁場，才能保證任務的持久性和數據的準確性。

研發團隊表示，為了保證探測器可以在太陽風暴的洗禮中繼續成像，他們將使用人工智能技術逐幀識別和刪除圖像上的帶電粒子——它們會在圖像上呈“雪花狀”。

目前，該項目仍處於早期階段，ESA 團隊正在制定技術計劃，尋找資金和性能的平衡點，預計於今年 11 月上交提案。德國和英國都已表示出支持該項目的意願，如果一切按計劃進行，新的探測器有望在 2025 年發射升空。

除了歐洲的 ESA，美國國家海洋和大氣管理局（NOAA）也計劃建立一台太陽觀測器，取代在 L1 點的 SOHO。中國科學院也在最近提出了“羲和計劃”，嘗試在 L5 點部署衛星，完成對太陽風暴的捕捉、預測和研究。