美国宇航局为何要发射火箭来研究日食

环状“火环”日食总是令人着迷的现象。今年，10 月 14 日的日食奇观恰好预示着恐怖季节的到来，它将在西半球的俄勒冈州、德克萨斯州、中美洲、哥伦比亚和巴西北部开辟一条近乎黑暗的道路。

日食不仅仅能激起情绪。日食发生时，会在地球电离层（大气层的上层，在射频通信中起着重要作用）的带电粒子上产生扰动波。在这里，加热和带电的离子和电子在包裹地球的等离子体中旋转。

为了了解日食对等离子体的影响，美国宇航局的科学家计划发射一系列 60 英尺高的火箭，以在源头收集信息。

电离层位于地球表面以上 60-300 公里处，地球表面大约为 37-190 英里。“现场研究 50 公里至 300 公里之间的唯一方法是通过火箭，”空间和大气仪器实验室主任、美国宇航局即将进行的探空火箭任务首席研究员 Aroh Barjatya 说道，该任务名为“日食路径周围的大气扰动”。他所说的现场，确切地说是处于其中最深处。

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“飞行高度为 400 公里的卫星可以俯视，但无法测量电离层中部。它只能进行遥感，”他补充道。“地面测量也属于遥感。”火箭是一种相对低成本的直接进入电离层的方法。

除了发射火箭，研究小组还将发射高空气球，每 20 分钟测量一次天气情况。这些气球将覆盖地面以上 10 万英尺（约 19 英里）的高度。接下来是焦点人物：三枚探空火箭，装有商用和军用剩余固体推进剂火箭发动机。这三枚火箭旨在观察电离层随时间的变化，它们将从新墨西哥州白沙设施的一处地点直接发射到日食阴影中。其中一枚火箭将在日食前发射，一枚在日食期间发射，一枚在日食之后发射。因为它们是探空火箭，所以它们将上升到目标高度，然后返回，这意味着它们配备了降落伞回收系统。

“想象一下，一艘大型轨道飞行器将卫星送上太空，它们进入太空时的速度将达到 14,000 英里/小时。因此，它们将达到轨道逃逸速度，将有效载荷送入轨道，并在那里停留很长时间，”NASA GSFC 瓦洛普斯飞行设施探空火箭项目办公室副主任马克斯·金 (Max King) 解释道。“我们的火箭被称为亚轨道火箭。因此，它们会上升，但当我们进入太空时，速度会减慢到零，并开始落回大气层。在弯曲的轨道上，我们在 [电离层] 有大约 10 分钟的时间可以进行测量和科学研究。”

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十分钟似乎不是很长。但在这段时间内可以收集大量数据。当火箭到达电离层时，静电探测器将弹出，测量等离子体温度、密度以及周围的电场和磁场。有一个遥测系统可以不断将数据发回地面。

此次任务的主要目的是研究日食期间等离子体动力学对射频通信的影响。任何意外湍流都可能干扰卫星、GPS、业余无线电操作员或军方使用的超视距雷达的信号。“电离层是反射无线电频率的东西，所有太空通信都要经过电离层，”Barjatya 说。

10 月份的任务结束后，他们将在沙漠中搜寻火箭坠落的部件，并修复火箭残骸，准备在 2024 年 4 月下一次日食期间进行第二次发射，这样他们就可以研究日食对离直接路径稍远的电离层的影响。当太阳突然被遮蔽时，获取有关电离层会发生什么情况的更多细节将使研究人员了解哪些无线电频率会受到影响，以及干扰的范围有多广。这将使模型能够更好地为未来这些潜在的干扰做好准备。

美国宇航局在日食期间发射过不少火箭。美国宇航局上一次大规模发射是在 1970 年，当时他们在 15 分钟内发射了 25 枚火箭。“1970 年的日食正好发生在弗吉尼亚州瓦洛普斯设施的上方，”巴贾蒂亚说。但那些火箭大多是气象火箭。如今的火箭每枚都载有四个装有科学仪器的小型有效载荷。“一次火箭发射可以同时进行五次测量，”他补充道。“所以今天的一枚火箭实际上相当于 1970 年的五枚火箭。”

这些火箭并非专门用于在日食期间观察天空。事实上，NASA 每年在全球大约 20 次任务中使用它们。“我们去科学所在的地方，”金说。探空火箭可用于发射望远镜，用于监视天体、超新星、星团，甚至太阳的耀斑和辐射。

北美的主要发射场是弗吉尼亚州的瓦洛普斯发射场和新墨西哥州的白沙发射场。在美国以外，挪威也是一个大型发射场。科学家们在那里利用这些发射场观察北极光和其他极光现象。或者，它们可以用来观察所谓的尖点区域，即天空中离近地空间最近的入口。“尖点区域是所有磁场线都汇聚到同一点的地方，”金指出。“真正研究它的唯一方法是发射火箭穿过它。”

该机构将对此次发射进行直播，您可以在此处观看。