科学技术

李会超:欧空局批准“微笑”计划,中欧合拍空间科学大戏将正式开机

2019年03月19日 09:50   发布者:中国琉球网




3月5日,欧空局网站发布消息,由中欧科学家共同提出的“微笑”(SMILE)卫星计划已获欧空局(ESA)科学计划委员会的批准。由于在2016年11月,中方负责该卫星项目的中国科学院已经批复该工程立项,因而欧空局的批准意味着该计划可以进入实施阶段,这场中欧合拍的空间科学大戏即将正式开机。SMILE卫星将为保护人类免受太阳风暴的侵袭作出贡献,也将把中欧双方有着良好传统的空间科学领域合作推向新时代。

(SMILE卫星LOGO)

从美丽的极光说起

这颗卫星“微笑”的名字来源于它的英文简称SMILE,它的全称实际上是“太阳风-磁层相互作用全景成像卫星”(Solar wind Magnetosphere Ionosphere Link Explorer)。这样一长串术语组合而成的卫星名,也许会让读者朋友们产生“字都认识,组合在一起就不知所云”的感觉。实际上,这颗卫星与很多朋友所向往的美景——极光,有着密切的联系。

(从地球上看到的美丽极光)

极光是带电粒子轰击地球两极的高层大气所产生的发光现象,因其带来的令人窒息的视觉体验而被人们追逐。要想看到这种半空中的绚烂景象并非一件容易的事情,只有亲身来到寒冷的两极地区,才有机会一睹这种美丽的自然现象。同时,对于地理纬度相同的地区,看到极光的机会也不均等。在我国境内,几乎没有可能看到极光,而一旦极光活动增强时,与我国处于同一纬度范围的北美地区的民众,则有机会一饱眼福。

(国际空间站上看极光)

极光之所以出现的位置如此特别,是因为产生极光的带电粒子在半空中并非自由飞翔,他们行走路径受到地球磁场的控制。他们从距离地面数万到数十万公里的地方进入地球磁场系统后,最终“落地”,在高度90-150公里的范围内产生极光的地理位置,就是地磁场的磁力线即将进入地球内部的地方——地磁极。由于地磁的南北极和地理上的南北极并不完全重合,地磁南极相对地理北极(地磁南北极和地理南北极刚好相反)偏向北美地区,因而才使美加人民获得了更多的看极光的机会。

(一次大磁暴期间的极光可见范围示意图,当地磁活动水平到达一定程度时,彩色线以北的区域可以看到极光。由此图可见,我国与极光基本无缘。)

这些带电粒子并非地球自产自销,而是太空中的“进口”货。它们从太阳表面涌出,在太阳附近的日冕中被加热到数百万度的高温,以每秒几百公里的高速奔向太空之中。当它们到达地球时,地球的磁场阻碍了它们的奔驰,于是朝向太阳一侧的地球磁场被压缩,背向太阳一侧的地球磁场被拉伸,地磁场变得不再对称。

这些粒子从太阳上跑出来时,还携带了太阳的磁场。如果太阳磁场的方向与地球磁场的方向,在地球朝向太阳的那一侧刚好相反,太阳磁场就能打开地球磁场的铠甲,将来自太阳的带电粒子注入到地球磁场之中。进入地磁场后,这些粒子还要经历一系列复杂的能量转换和加速过程后,才会来到两极,形成极光。这些来自太阳的带电粒子,就是“太阳风”,而被太阳风所重塑的地球磁场,则被称为“磁层”。“微笑”卫星所要研究的,就是这个区域发生的物理现象。

(SMILE卫星和它所要探测的地球磁层)

探测空间天气,保卫人类安全

SMILE卫星装备了四台科学探测仪器,其中两台的功能是探测卫星所在位置的等离子体和磁场参数,而另外两台,则可以通过人的肉眼无法分辨的极紫外波段和X射线波段,为磁层和极光“拍照片”,帮助科学家们进一步搞清太阳风究竟是如何与我们的地球磁场相互作用的。在以往对磁层的探测中,卫星上搭载的大都是局地探测仪器,只能探测卫星所在位置的参数,通过卫星的移动使科学家们了解磁层不同部分的性质。结合理论研究和计算机数值模拟,这样的探测已经使我们建立起来了对地球磁层基本结构和变化过程的概念,但这种只见点而不见面的观测,无法从宏观上展示太阳风-磁层相互作用和极光形成的全貌,容易使科学家们陷入“盲人摸象”的境地。而微笑卫星所带来的探测数据,将有望改变这一现状。

(SDO卫星拍摄的一次日珥爆发现象,电影《流浪地球》开头的一段即采用了这次爆发的视频)

除了探究自然规律外,对太阳风-磁层相互作用的研究也有着现实的意义。1989年,太阳上发生了一次剧烈的爆发,一大团裹挟着磁场的等离子体团以每秒数千公里的速度射向太阳之中,打破了太空中的平静。当这团物质打击到地球时,地磁场像大地震那样发生了剧烈的震颤,在加拿大魁北克地区的电网中产生的地磁感应电流使该地区的电网瘫痪,占加拿大总人口数约四分之一的的居民失去了供电。

2003年万圣节期间,多个强太阳爆发相继袭击了地球,飞跃北极的洲际航班不得不改变航线以应对极区增大的辐射剂量和中断的无线电通信,日本的一颗对地观测卫星被完全损毁,国际空间站的宇航员紧急进入防护能力较强的舱段躲避增强的辐射,全世界范围内的通讯、导航、供电等部门也受到了严重的影响。

2001年中美南海撞机事件发生后,强太阳风暴的侵袭曾经一度干扰了搜救船只的无线电通信。而冷战期间,强太阳风暴引起的雷达干扰险些使美苏两国将其误判为对方的军事行动而实施核反击。

太阳活动对人类生产生活的影响,是一门被称为“空间天气”的学科所研究的内容。只有掌握了空间天气现象中的物理规律,才有可能在太阳上出现特定的不稳定结构时预报它可能对地球产生的影响。完整的空间天气预报需要对太阳大气到地球的电离层、中高层大气等一系列区域的变化进行建模和预报,而太阳风-磁层相互作用则是这个预报过程中的重要一环。SMILE的探测数据,将可以帮助科学家们更准确的进行空间天气预报。

中欧空间科学合作迈向新时代

中国和欧洲在空间科学领域的合作有着良好的传统。上世纪八十年代,中科院刘振兴院士提出了关于磁层中磁场重联现象的一个新理论,引起了国际学术界的广泛关注。此时,恰逢欧空局准备实施进行磁层探测的“星簇”(Cluster)卫星计划。为了使Cluster的科学产出最大化,欧空局广邀各国同行一同提出利用“星簇”数据进行研究的计划。刘振兴院士团队的计划书以其独特新颖的思路而被欧空局的同行们看中。在上世纪八十年代末、九十年代初西方各国对我国的态度普遍不友善的情况下,欧空局罗格·博奈等科学家没有被政治风向所左右,坚持将中国同行纳入了星簇卫星的合作计划。

(已故的刘振兴院士(左一)与欧空局科学家)

由于阿丽亚娜火箭首飞失利,星簇计划首次发射以失败告终,但这并没有动摇欧空局继续实施这一计划的决心。同时,刘院士也发现星簇计划和当时国际上的其他卫星计划对地球磁层的探测存在盲区,如果能在环绕地球极区和赤道的轨道上各布置一颗卫星,则将能够更全面的探测磁层的变化。这个想法得到了欧洲同行的支持,决定与中国科学家的卫星计划开展联合探测。

在刘院士的不懈努力下,他的设想最终成为了国家批准立项的“双星”计划,两颗卫星“探测一号”、“探测二号”由中欧合作研制,中方负责卫星平台和部分科学载荷,欧方负责另一部分科学载荷,并在卫星研制过程中的一些关键技术问题上提供帮助。卫星由中国火箭发射,欧空局提供测控支持。与此同时,重新制造的四颗星簇卫星也被成功发射升空,双星和星簇的探测按照双方科学家的设想紧密配合,形成了“双星-星簇”计划,完成了人类历史上第一次对地球空间的六点探测,并因其取得的丰硕成果而获得国际宇航科学院“2010年度杰出团队成就奖”。

(刘振兴院士(着西服)指导科技人员开展“双星”的研制工作)

微笑卫星的科学构想由中欧科学家共同提出,有效载荷的研制由两国团队共同完成,首席科学家也由两方的专家共同担任。本次任务将使用欧洲火箭执行发射任务,而获取的数据则由两国团队共享。可以期待,在两国老一辈科学家打下的良好基础下,微笑卫星必将实现东西两开花,演出一部精彩的中欧合拍的空间科学大戏,在新时代里为构建人类命运共同体提供科学支持。

 

(来源:观察者网)



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