NASA 高空气球研究大气和宇宙

百科 2024-10-01 21:49 北京

NASA高空气球研究的目标包括确定宇宙射线和电子微爆发的起源。

从 5 月下旬到 7 月中旬，美国宇航局（NASA）四个科学气球上的仪器收集了有关宇宙射线、云、太阳磁场等的数据。这些气球从瑞典基律纳发射，经过三到七天的飞行后，从加拿大北部各地取回。

30 多年来，NASA 的气球计划一直将科学实验送入平流层，目前每年飞行 10-15 个气球。自该计划成立以来，气球不断达到更高的高度。

气球的一个吸引力是价格标签：美国宇航局气球项目办公室代理主任安德鲁·汉密尔顿（Andrew Hamilton）说，太空任务的成本上升到数千万到数十亿美元，而气球平均每个几百万美元。它们还提供了一个稳定的平台来测试新技术，以便以后在太空任务中使用。例如，康普顿伽马射线天文台是一颗于 1991 年发射的光子探测卫星，其中包含最初在科学气球上开发的仪器。NASA 气球由聚乙烯薄膜制成，可携带重达约 3600 公斤的有效载荷。

从空中学习

最近活动的第一个气球携带了一个超导磁体，用于测量高能宇宙射线同位素的通量。科学家们对两种铍同位素特别感兴趣：一种是稳定的，另一种是放射性的。撞击磁体的同位素的比率可以了解它们到达地球需要多长时间，从而了解它们行进的距离。安大略省金斯敦皇后大学（Queen's University）的项目科学家兼天体物理学家纳希·帕克（Nahee Park）说，尽管宇宙射线是在100多年前被发现的，但科学家们还没有确定最强宇宙射线的来源。

下一个气球携带了一个望远镜，用于测量天鹅座 X-1 发射的 X 射线的偏振，天鹅座 X-1 是一个超巨星-黑洞双星系统，是从地球上看到的最亮的 X 射线源之一。目标是了解这些物体如何加速电子，然后发射 X 射线。另一台机载仪器使用光谱偏振法（测量不同波长的光偏振）来更好地定义云中冰粒的大小和形状。第三台仪器测量了地球的总紫外线水平和臭氧浓度。

7 月 9 日，一个载有 XL-Calibur 实验的气球从瑞典基律纳附近的 Esrange 航天中心准备并发射。该实验测量了天鹅座 X-1 的极化，天鹅座 X-1 是一个由黑洞和超巨星组成的 X 射线源。

另一个气球飞行了一台 1 米长的望远镜，这是迄今为止离开地面的最大太阳望远镜。它配备了三个分光偏振仪，对太阳的光球层和色球层进行了成像，并探测了恒星的磁场。该实验的首席研究员、德国哥廷根马克斯·普朗克太阳系研究所所长萨米·索兰基（Sami Solanki）说，太阳的磁场比地球的磁场更复杂。而且，他指出，磁场驱动着所有的太阳活动。这些仪器检查了太阳黑子，其中有很多，因为太阳接近其太阳极大期。

最后一个气球携带了一个 X 射线成像仪，该成像仪拍摄了进入地球大气层的短而强的电子爆发的照片。它们被称为电子微爆发，与大气气体碰撞并产生 X 射线，这些 X 射线被重新吸收得太快，无法从地面观察到。高分辨率图像可以提供对微暴流起源的见解，首席研究员、蒙大拿州立大学物理学教授约翰·桑普（John Sample）说。该成像仪乘坐 NASA 最大的科学气球飞行，该气球的体积为 170 万立方米（6000 万立方英尺），相当于一个足球场的大小。这个气球被昵称为“Big 60”，达到了近 49 公里的高度，创下了该机构从瑞典发射的记录。高度受气球内氦气的浮力以及有效载荷和气球的总重量的限制。

天气限制

NASA 从世界各地的多个地点发射气球：德克萨斯州的哥伦比亚科学气球设施;新墨西哥州的萨姆纳堡;南极洲的麦克默多站;瑞典的 Esrange 航天中心;澳大利亚的爱丽斯泉;和新西兰瓦纳卡。出于安全原因，包括潜在的气球坠毁，需要将站点与公众隔离开来。它们也位于地面风速较低的地方。

“瑞典是我们启动项目的绝佳地点，因为它位于遥远的北纬地区，”Hamilton 说。北极圈上方的飞行路径在夏季会受到持续的阳光照射，因此可以最大限度地减少气球中的压力变化和气体损失。太阳能实验可以全天候收集数据。

起飞时，最少的云层和没有降水是必须的，一点风有助于将气球推高。“即使是小雨也是不行的，”哥伦比亚科学气球设施的气象学家罗伯特·穆伦纳克斯（Robert Mullenax）说。阴雨天气分散了今年的发放日期。第二个气球直到第一个气球后六周才飞行，第三个和第四个气球在接下来的四天内紧随其后。Mullenax 说，由于 NASA 与法国国家航天局共享该航程，因此可用的发射日期较少。

美国宇航局（NASA）最大的气球重达 170 万立方米，携带着 BOOMS（微爆流尺度气球观测实验）向平流层上升。它于 7 月 13 日从瑞典基律纳附近的 Esrange 航天中心起飞。

一旦气球开始飞行，“气球和地面之间就有一条直接的视线，因此操作员可以直接与它通信，”汉密尔顿说。数据存储在有效载荷上，可以从有效载荷传输到卫星，然后传输到控制中心。当气球在发射场的地平线上移动并且直接通信不再有效时，该方法非常有用。

控制器在计划的着陆区域生成风险地图，以确定将有效载荷投放的位置。一旦选定了位置，就会发送一个信号，将气球与有效载荷分离。有效载荷随着降落伞而脱落。在这个过程中，它在气球上撕开了一个洞，氦气逸出。NASA 将在接下来的几周内回收气球和有效载荷。

Hamilton 说，这四个活动实验的研究团队将在未来几年内分析他们的数据。在接下来的几个月里，他们计划在包括华盛顿特区举行的 2024 年美国地球物理联盟会议和日内瓦举行的 2025 年国际宇宙射线会议在内的会议上展示第一批结果。

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