太空仪器为太阳耀斑提供早期预警

当太阳耀斑从太阳周围爆发时，由科罗拉多大学博尔德分校设计和建造的一小队科学仪器组成了第一道防线——在太空中的任何其他仪器之前发现这些大规模喷发，然后在几秒钟内将信息传回地球。

6月25日，该套件中的第四台也是最后一台仪器，即极紫外和X射线辐照度传感器(EXIS)计划将发射升空。它将搭载地球静止轨道运行环境卫星-U(GOES-U)飞行，这是GOES-R系列卫星中的最新一颗，用于从轨道监测地球天气。GOES-U进入地球静止轨道后将更名为GOES-19，它将搭乘SpaceX猎鹰重型火箭从佛罗里达州的NASA肯尼迪航天中心发射升空。

此次活动标志着科罗拉多大学博尔德分校大气与空间物理实验室(LASP)的科学家和工程师近20年工作的成果。

“这真是喜忧参半，”LASP科学副主任兼EXIS首席科学家FrankEparvier说道。“这就像送孩子上大学一样。漫长的准备工作即将结束，这让人感到悲伤，但这项工作的目标即将成为现实，这让人感到自豪和兴奋。”

新的EXIS仪器看起来有点像一个加强版的烤箱，它将与另外三台几乎相同的仪器一起运行，每台仪器都运行在不同的GOES-R卫星上，绕地球运行。其中一台在美国东海岸上空盘旋。另一台在西海岸上空，而第三台则存放在太空中，等待在其他卫星出现问题时被调动起来。

他们已经建立了令人印象深刻的科学遗产。GOES计划是美国宇航局和美国国家海洋和大气管理局(NOAA)的联合项目，密切关注飓风、热带风暴等事件。但EXIS仪器追踪的是另一种天气：“太空天气”，即围绕太阳开始的各种过程，它们可能会影响我们星球周围的状况，有时甚至会带来灾难性的影响。

埃帕维尔说：“如果我们想了解这些可能影响地球技术和安全的事物，我们需要找到源头，那就是太阳。”

LASP主任丹·贝克(DanBaker)指出，该研究所为数十年来对GOES项目做出的贡献感到自豪。

“LASP是唯一一家为GOES-R系列提供主要硬件的学术机构，”贝克说。“LASP一直按时、按预算交付，并展示了在满足NOAA和美国政府的运营需求方面取得的最高成功，”他说。“事实上，LASP一直是如何在运营环境中设计、建造、测试和操作太空仪器的典范。”

一名技术人员将EXIS仪器安装到GOES-T卫星的太阳指向平台上，该卫星于2022年发射。图片来源：NOAASatellites

北极光

对于Eparvier来说，此次下水也代表着一个旧梦想的实现。

20世纪80年代，埃帕维尔还是威斯康星大学麦迪逊分校的一名本科生时，曾在当地一家蜡烛厂上过一个夏天的夜班。一天晚上，他沿着威斯康星州温尼贝戈湖岸边开车回家，突然看到天空中飘浮着微弱的光芒。他看到了极光，这是地球大气层高处因太阳活动而产生的光影。

“那是一场严重的太阳风暴，我坐在躺椅上直到凌晨三点才看到极光，”埃帕维尔说。“这真的让我很感兴趣：这是什么?为什么会这样?”

多年后，EXIS给了他深入研究这些问题的机会。

Eparvier解释说，每台EXIS仪器都包含两个传感器：X射线传感器(XRS)和极紫外传感器(EUVS)。顾名思义，XRS可以接收来自太阳的X射线辐射。它还可以探测到太阳爆发耀斑的最初迹象。

这种能量爆发会将带电粒子猛烈地射向地球——在某些情况下，会形成极光，就像埃帕维尔在威斯康星州目睹的一样。在其他情况下，来自太阳的快速移动的高能粒子可能会危及轨道上的电子设备甚至人体。

EUVS则不同。它追踪太阳活动的波动，这种波动会导致地球大气层膨胀和收缩，就好像整个星球都在呼吸一样。如果大气层膨胀过度，就会拖垮轨道上的卫星。

美国国家海洋和大气管理局的科学家利用这两种传感器提供的信息，为卫星操作员和全球其他人提供及时指导，帮助他们安全地在太空中航行。

Eparvier表示：“EXIS确实为全世界提供了宝贵资产。”

代际项目

然而，让这些重要工具投入使用并非易事。LASP团队于2005年开始研究EXIS，LASP科学家TomWoods领导了概念开发，并同时建造了所有四台仪器。第一台于2016年发射，第二台和第三台分别于2018年和2022年发射。

Eparvier表示，该团队还设计了能够承受恶劣环境的仪器。GOES卫星从所谓的“地球静止”轨道绕地球运行，该轨道距离地球超过22,000英里，是太空中辐射量很大的区域。

多年来，LASP的100多名工程师和科学家致力于将EXIS变成现实。其中包括PhilChamberlin，他于21世纪以博士生身份开始参与该项目。他说，该项目为像他这样的新兴研究人员提供了一个绝佳的机会，让他们了解设计太空仪器的来龙去脉。

“EXIS团队是一流的，绝对令人惊叹，我的职业生涯归功于他们，”现为LASP高级研究员的Chamberlin说道。“他们信任我，让我肩负起很多责任，并在一定程度上给予我自由，让我自己去思考和设计。”

最后一台仪器很快就要飞往太空了。但埃帕维尔只需打开电脑，就能看到EXIS数据传回地球。例如，2024年5月，太阳的一系列耀斑震撼了地球，产生的极光一直延伸到佛罗里达州南部。他和他的同事是地球上第一批看到这些事件的人。

就像多年前在温尼贝戈湖一样，他花时间欣赏天空中的灯光。

“我和妻子前往怀俄明州边境，和一群人一起在朋友的一块土地上，”埃帕维尔说。“我们坐在那里拍下了令人惊叹的极光照片。”

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