如何“看到”太阳背面的活动区：（一）STEREO卫星提供的太阳背面观测|卫星|地球|太阳|活动区|观测台

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作者：王晶晶

中国科学院国家空间科学中心

中国科学院空间环境态势感知技术重点实验室

太阳大气是日地空间环境、日球层空间环境的源头。相对平静的太阳大气而言，太阳活动区较为活跃、容易产生太阳爆发事件，可能释放出携带巨大能量的等离子体团和高能辐射，进入行星际空间，影响日地空间环境、引发强烈的地磁扰动。

当我们的卫星在地球轨道附近巡逻时，我们只能看到太阳正面，如图1中2011年2月1日至28日、美国NASA的太阳动力学观测台（SDO）卫星对极紫外304波段的日冕观测动画，其中AR代表太阳活动区。日面边缘区域的观测受到投影效应的影响失真严重，而对太阳背面的观测缺失、尤其是对新生活动区、瞬时太阳爆发事件的观测，影响了科学家们对太阳大气大尺度结构的研究和建模。太阳大气是非常复杂的，不同空间尺度的磁场结构如何重联至今仍没有定论，可以肯定的是，小尺度的磁场结构演化，尤其是新生活动区的浮现、瞬时的太阳爆发事件，也会对大尺度的全球磁场结构的进一步研究和建模产生影响。

当深空探测器进入到我们对太阳大气观测的“视线盲区”（太阳侧面和背面）时，我们无法监测太阳大气的剧烈演化，无法对威力巨大的太阳爆发活动及时预警，而依赖历史观测资料给出的经验预报、以及基于太阳大气演化特征的物理模型都具有不确定性和局限性，也给深空探测任务的安全运行带来了很大的挑战。

由NASA研制的日地关系观测台两颗卫星（STEREO-Ahead和STEREO-Behind）于2006年10月26日发射[1,2]，其轨道设计非常巧妙，相比地球公转轨道，STEREO-Ahead卫星绕日公转轨道半径稍小，STEREO-Behind卫星稍大；在太阳引力的作用下，相比地球的公转速度（公转周期为一年），STEREO-Ahead卫星公转的速度稍快（公转周期少于一年），STEREO-Behind卫星公转的速度稍慢（公转周期多于一年）。以地球的角度来看，STEREO-Ahead和STEREO-Behind两颗卫星分别位于地球公转轨道的前方和后方，并逐渐远离地球。图2展示了自2006年至2020年底期间，STEREO-Ahead（A）和Behind（B）两颗卫星的运行轨道，其中Sun、Earth、Mercury、Venus和Mars分别是太阳、地球、水星、金星和火星。STEREO-Ahead（A）卫星在这13年期间，先时逐渐远离地球、又再次逐渐靠近地球。如图3所示，2011年2月4日，STEREO两颗卫星与太阳处于一条直线上，从而首次实现了对整个太阳（全日面）的瞬时观测。

自此，STEREO卫星能够从地球之外的其他位置、在较长时间段内提供大量对太阳的侧面、甚至是背面的观测，结合太阳与日球层观测台（SOHO）和SDO等其他卫星对太阳正面的观测，就可以获取对全日面极紫外波段的瞬时观测。如图4中2011年2月1日至28日（与图1同一时间）、STEREO两颗卫星（Ahead和Behind）对极紫外304波段的日冕观测动画。

图5展示了STEREO卫星和SDO卫星联手获得的瞬时全日面极紫外波段的观测图像。相比地球附近卫星对太阳大气的单点观测，STEREO卫星为科学家们提供了全新、完备、重要的数据库，推进了太阳大气、日地空间物理的理论研究；对太阳背面活动区的浮现和消失、瞬时太阳爆发活动的观测，也极大地提升了空间天气的研究和预报能力。

STEREO卫星如此独特的深空运行轨道使得其与地球的通信成为一个巨大的挑战，遗憾的是，STEREO-Behind卫星于2014年10月1日失去联系，NASA尝试了四年重建通信联系、并尝试恢复卫星系统正常运行，最终于四年后宣布失败并彻底放弃。

STEREO卫星已经服役超过了十三年，STEREO-Behind卫星已经完全失联，STEREO-Ahead卫星的等离子体观测也因为2019年12月的仪器故障（高压异常）无法正常运作，截至2020年4月仍没有恢复正常。STEREO卫星的轨道也在不断的变化，在其靠近地球的数年过程中（未来的八年），也逐渐失去了对“太阳背面”的观测能力。我们迫切的希望未来有新的探测任务能取代STEREO卫星、持续为空间天气的研究和预报提供服务。