美國國家航空航天局（NASA）近日啟動一項全新任務，計劃拍攝地球周圍一圈幾乎不可見的微弱光輝——這道由氫原子發(fā)出的紫外光標記著地球大氣的最外緣“外層大氣”（外逸層），被稱為“地日冕”，其形狀會隨著太陽活動不斷變化。

這一任務不僅旨在揭示這一巨大而稀薄“氫云”的真實尺度和動態(tài)行為，也被視為保障未來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。

這項名為“卡魯瑟斯地日冕觀測臺”（Carruthers Geocorona Observatory）的任務于2025年9月24日從佛羅里達州肯尼迪航天中心發(fā)射，搭載SpaceX“獵鷹9號”火箭升空，與NASA的“星際映射與加速探測器”（IMAP）以及美國國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。L1位于地球軌道內側、距離地球約一百萬英里處，在這里，太陽與地球的引力達到平衡，航天器能夠以較低燃料消耗長期保持相對穩(wěn)定，有利于持續(xù)觀測太陽及近地空間環(huán)境。

早在20世紀70年代，科學界對地球大氣究竟延伸到多高仍缺乏直接證據，尤其是自地表約300英里以上、由極為輕盈的氫原子構成的外逸層，其空間范圍長期存在不確定性。由于外逸層發(fā)出的紫外光極其微弱，只能通過所謂“地日冕”才能探測到，當時的科學家?guī)缀鯚o法從地面直接觀測這一結構。為此，開創(chuàng)性的科學家兼工程師喬治·卡魯瑟斯（George Carruthers）開始研制專門觀測紫外線的相機，并在多次探空火箭試驗后，最終打造出可在太空運行的成像儀器。

1972年4月，阿波羅16號宇航員將卡魯瑟斯的遠紫外相機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。結果顯示，地球周圍這團“輕飄飄”的氫云遠遠超出當時預期，從月球的觀測點看仍無法完整納入視場，這令研究團隊頗感震驚。后續(xù)研究認為，地球外逸層至少延伸到地月距離的一半以上，其空間尺度遠大于傳統(tǒng)意義上的大氣“邊界”。

外逸層的重要性遠不止其“大小”本身。當來自太陽的爆發(fā)性活動（如日冕物質拋射）抵達地球時，首先遭遇的就是這層最外緣大氣，其與太陽高能粒子和輻射的相互作用會引發(fā)一系列物理過程，有時會演化為威脅航天器和宇航員安全的強烈空間天氣事件。因此，監(jiān)測外逸層如何隨太陽活動起伏，對提升空間天氣預報能力、降低近地空間作業(yè)風險具有關鍵意義。

外逸層中的氫還與行星失水問題密切相關。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，被認為是行星長期水量演化的一個窗口。通過追蹤地球氫逃逸過程，科學家希望解釋為何地球能夠在漫長地質歷史中保持豐富水資源，而太陽系內許多行星和衛(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，首次以持續(xù)成像的方式對地球外逸層進行電影般的記錄，目標是在長時間尺度上呈現(xiàn)其整體結構及內部動態(tài)。項目首席研究者拉拉·沃爾德羅普（Lara Waldrop）在伊利諾伊大學厄巴納-香檳分校領導這一任務，該校也是喬治·卡魯瑟斯的母校。NASA戈達德太空飛行中心的任務科學家亞歷克斯·格洛塞爾（Alex Glocer）表示，過去從未有任務專門致力于外逸層觀測，此次獲得的連續(xù)數(shù)據將是前所未有的。

卡魯瑟斯探測器整備質量約531磅，體積大致相當于一張雙人沙發(fā)，將在發(fā)射后經歷約四個月的飛行，抵達L1點附近的工作軌道。計劃在完成約一個月的在軌測試后，于2026年3月正式進入為期兩年的科學觀測階段。在L1這一距離地球約為月球四倍遠的位置，航天器將憑借兩臺紫外成像相機——“近場成像儀”和“廣角成像儀”——對外逸層進行全景與局部聯(lián)合描繪。

其中，近場成像儀用于“拉近視角”，細致捕捉靠近地球的外逸層結構如何在短時間內隨空間環(huán)境變化而改變；廣角成像儀則承擔“遠距俯瞰”的角色，記錄整個外逸層在遠離地球處的擴展尺度及隨時間的整體演化。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乃至最終逃逸到太空的動態(tài)圖譜?？茖W團隊指出，理解地球上大氣逃逸的物理機制，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，從而判斷它們在長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臺由BAE系統(tǒng)公司負責設計和建造，任務由NASA戈達德太空飛行中心的探測者與日球物理項目處負責管理，隸屬于華盛頓NASA總部的日球物理司。科研團隊期望，通過對唯一已知宜居行星——地球——外層大氣的精細成像與物理剖析，為未來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