人類賴以生存的空間被地球內(nèi)稟磁場形成的磁層保護著，磁層的外邊界稱為磁層頂。近些年，研究人員發(fā)現(xiàn)磁層頂附近區(qū)域在軟X射線波段是明亮的。軟X射線的輻射機制是太陽風(fēng)電荷交換（Solar Wind Charge Exchange，簡稱SWCX）過程，即太陽風(fēng)中高價重離子和地球大氣逃逸的中性成分發(fā)生碰撞，由激發(fā)態(tài)向基態(tài)躍遷的過程中發(fā)出光子。因此，太陽風(fēng)能到達的區(qū)域就會輻射X射線，而X射線波段明亮和黑暗的交界線就是太陽風(fēng)發(fā)生繞流的邊界，即磁層頂。
基于此，中國科學(xué)院和歐空局聯(lián)合提出了太陽風(fēng)-磁層相互作用全景成像衛(wèi)星項目（Solar wind Magnetosphere Ionosphere Link Explorer，簡稱SMILE），對日下點附近的磁層頂、部分極尖區(qū)和地球極光進行成像探測，同時對磁場和等離子體進行原位測量，旨在揭示太陽風(fēng)-磁層相互作用的基本模式，從系統(tǒng)尺度上深入認(rèn)知太陽風(fēng)-磁層-電離層耦合的基本物理過程。SMILE衛(wèi)星計劃于2024~2025年發(fā)射。在X射線二維圖像數(shù)據(jù)和磁層物理規(guī)律的認(rèn)知之間起到橋梁作用的是如何由圖像數(shù)據(jù)分析出三維磁層頂位形。這是SMILE項目預(yù)先研究的核心內(nèi)容。
近日，中國科學(xué)院國家空間科學(xué)中心太陽活動與空間天氣重點實驗室王赤院士與孫天然研究員總結(jié)了由磁層X射線二維圖像反演三維磁層頂?shù)乃姆N方法，給出了磁層成像數(shù)據(jù)分析的“工具箱”。該綜述文章總結(jié)了切向擬合法（Tangent fitting approach, TFA，圖1）[Sun et al., 2020]、邊界擬合法（Boundary Fitting approach, BFA）[Jorgensen et al., 2019a, 2019b]、切線方向法（Tangent direction approach, TFA）[Collier and Connor, 2018]、和計算機斷層分析法（Computerized tomography approach, CTA）[Jorgensen et al., 2022, Wang et al., 2022]這四種方法的優(yōu)點和局限，指明了各自的適用范圍，如表1所示。天氣室徐榮欄研究員、孫天然研究員與美國新墨西哥理工大學(xué)的Anders Jorgensen等人合作，給出了磁層頂反演的CT方法。針對CT方法，天氣室孫天然與系統(tǒng)室李大林副研究員、博士生王榮聰?shù)热碎_展合作，采用人工智能技術(shù)對軌道未能覆蓋的觀測角度進行圖像補全，反演得到三維磁層頂位形，如圖2。孫天然及合作者對磁層X射線研究進展進行了綜述。
表1 磁層成像數(shù)據(jù)分析的“工具箱”[摘自Wang and Sun, 2022]
圖1 采用切向擬合法TFA，由磁層X射線圖像（左）反演三維磁層頂（右）[摘自Sun et al., 2020]
圖2 人工智能應(yīng)用于CT反演方法。左、中圖為X射線輻射率在子午面和赤道面的等值線，右圖為三維磁層X輻射率反演結(jié)果 [摘自Wang et al., 2022]
該系列成果發(fā)表在空間物理權(quán)威期刊Geoscience Letters、Journal of Geophysical Research等雜志上。研究得到了基金委重點項目、中國科學(xué)院前沿科學(xué)重點研究計劃、空間科學(xué)戰(zhàn)略先導(dǎo)計劃、中國科學(xué)院研究基金和國家重點實驗室專項研究基金、青促會優(yōu)秀會員資助計劃等的支持。
References：
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