太陽持續(xù)不斷地向外發(fā)射帶電粒子流，稱為太陽風(fēng)。太陽風(fēng)到達(dá)地球附近后，通過與地球磁場相互作用，將太陽風(fēng)的質(zhì)量、動量和能量輸運(yùn)至地球空間。太陽風(fēng)、磁層和電離層之間的耦合是日地相互作用的關(guān)鍵環(huán)節(jié)，對于認(rèn)識地球空間環(huán)境至關(guān)重要。在此背景下，中國科學(xué)院和歐空局合作提出了太陽風(fēng)-磁層相互作用全景成像（SMILE）任務(wù)，計(jì)劃于2025年發(fā)射（圖1為SMILE任務(wù)徽標(biāo)）?；谲沊射線成像技術(shù)，SMILE有望首次實(shí)現(xiàn)太陽風(fēng)-磁層相互作用關(guān)鍵區(qū)域的大尺度成像探測。
圖1 SMILE徽標(biāo)
在衛(wèi)星發(fā)射前的實(shí)施階段，通過預(yù)先科學(xué)研究必須要回答的三個關(guān)鍵問題是：如何成像、如何反演、以及如何應(yīng)用。針對這些問題，SMILE模擬工作組（Modeling Working Group, MWG）開展了預(yù)先研究工作。近期，模擬工作組與《地球與行星物理》（Earth and Planetary Physics, EPP）雜志合作，組織召集了“SMILE任務(wù)模擬和數(shù)據(jù)分析方法”?？黄?，如圖2所示。?？瘍?nèi)容涵蓋了7個研究方向：（1）軟X射線成像儀（SXI）的設(shè)計(jì)和性能、（2）磁鞘和極尖區(qū)軟X射線輻射建模、（3）X射線圖像數(shù)據(jù)處理方法、（4）由二維圖像重建三維磁層頂邊界、（5）與SMILE相關(guān)的物理現(xiàn)象和任務(wù)、（6）極光研究、以及（7）SMILE與地面臺站的協(xié)同探測，共22篇文章。文章具體內(nèi)容如下：
圖2 EPP封面圖
?。?）軟X射線成像儀的設(shè)計(jì)和性能：Sembay等總結(jié)了SXI的關(guān)鍵部件、儀器性能和觀測模式，并利用磁流體力學(xué)（MHD）和儀器模擬證明了SXI對磁層頂日下點(diǎn)的分辨精度可達(dá)0.5RE。Hubbard等評估了構(gòu)成SXI焦平面陣列的感光耦合組件（CCD）的儀器背景。Parsons等通過實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證了CCD的性能符合SMILE-SXI的采購規(guī)范。
?。?）磁鞘和極尖區(qū)軟X射線輻射建模：Samsonov等利用MHD模擬研究了行星際磁場（IMF）轉(zhuǎn)南的事件，驗(yàn)證了磁層頂?shù)膭討B(tài)運(yùn)動可以被SXI捕獲。郭進(jìn)等人利用混合模擬發(fā)現(xiàn)磁鞘中的局部X射線輻射率可能具有較大的振幅波動（高達(dá)160%），但由X射線圖像分辨出的磁層頂位置不會受磁鞘波動的顯著影響。楊忠煒等人利用混合模擬發(fā)現(xiàn)在IMF徑向條件下由高速流引起的磁層頂形變在空間尺度上可以達(dá)到~1RE，并可以持續(xù)幾分鐘。Grandin等通過混合-弗拉索夫模擬，保守估計(jì)磁鞘中通量傳輸事件的X射線強(qiáng)度增強(qiáng)為12%。Jung等開發(fā)的磁鞘參數(shù)模型可以從任意給定的觀測位置快速估算SXI成像結(jié)果。Koutroumpa利用原子物理數(shù)據(jù)及ACE的太陽風(fēng)離子豐度測量數(shù)據(jù)，系統(tǒng)地計(jì)算了不同太陽風(fēng)類型和太陽活動周下太陽風(fēng)電荷交換過程的效率因子。
?。?）X射線圖像數(shù)據(jù)處理方法：基于XMM-Newton觀測，張穎潔等評估了兩種去除軟X射線背景信號的方法。利用王榮聰?shù)忍岢龅幕谏疃葘W(xué)習(xí)的圖像復(fù)原算法，能夠去除SXI圖像中的背景噪聲、顯著提高磁層頂位置的判斷精度。
?。?）由二維圖像重建三維磁層頂邊界：Read基于MHD模擬評估了磁層頂位置重建算法中所采用的假設(shè)條件?；谌障曼c(diǎn)附近磁層表面是球形的假設(shè)，Kim等由X射線圖像重建了日下點(diǎn)磁層頂位置。Cucho-Padin等基于計(jì)算機(jī)斷層掃描（CT）技術(shù)發(fā)展了重建磁層頂位置的方法。在兩顆衛(wèi)星同時對磁層頂進(jìn)行立體X射線成像的情況下，Jorgensen等證實(shí)，可以對磁層頂日下點(diǎn)進(jìn)行實(shí)時重建。
?。?）與SMILE相關(guān)的物理現(xiàn)象和任務(wù)： Hsieh和Sibeck同時使用太陽風(fēng)觀測、地球同步軌道觀測以及地面觀測，分析了地面磁場南/北分量突然增強(qiáng)的原因，發(fā)現(xiàn)符合IMF-Bz變化以及太陽風(fēng)動壓變化兩種模型的事件數(shù)量幾乎相等。Echim等發(fā)現(xiàn)全球MHD模擬的側(cè)翼磁層頂厚度可比觀測大一個數(shù)量級。Kuntz等分析了將高光譜分辨的新衛(wèi)星任務(wù)應(yīng)用于磁層研究的可行性：線發(fā)射映射器（LEM），即基于大孔徑X射線微熱量觀測儀的觀測衛(wèi)星，預(yù)計(jì)于2032年發(fā)射。
?。?）極光研究：針對極光圖像，Ohma等給出了去除非極光背景的方法，并使用IMAGE數(shù)據(jù)驗(yàn)證了其有效性。梁軍等人建立了從RGB（紅-綠-藍(lán)）紫外極光觀測結(jié)果到真實(shí)的綠色極光光譜強(qiáng)度的合理轉(zhuǎn)換方法。
?。?）SMILE與地面臺站的協(xié)同探測：Carter等介紹了SMILE與地面臺站進(jìn)行協(xié)同探測的規(guī)劃和設(shè)想、開發(fā)了在線數(shù)據(jù)融合軟件，并對協(xié)同探測的科學(xué)目標(biāo)進(jìn)行了論述。張佼佼等人分析了SMILE和EISCAT-3D的聯(lián)合探測能力。
