3月5日，歐空局網(wǎng)站發(fā)布消息，由中歐科學(xué)家共同提出的“微笑”（SMILE）衛(wèi)星計(jì)劃已獲歐空局（ESA）科學(xué)計(jì)劃委員會(huì)的批準(zhǔn)。由于在2016年11月，中方負(fù)責(zé)該衛(wèi)星項(xiàng)目的中國(guó)科學(xué)院已經(jīng)批復(fù)該工程立項(xiàng)，因而歐空局的批準(zhǔn)意味著該計(jì)劃可以進(jìn)入實(shí)施階段，這場(chǎng)中歐合拍的空間科學(xué)大戲即將正式開(kāi)機(jī)。SMILE衛(wèi)星將為保護(hù)人類免受太陽(yáng)風(fēng)暴的侵襲作出貢獻(xiàn)，也將把中歐雙方有著良好傳統(tǒng)的空間科學(xué)領(lǐng)域合作推向新時(shí)代。
（SMILE衛(wèi)星LOGO）
從美麗的極光說(shuō)起
這顆衛(wèi)星“微笑”的名字來(lái)源于它的英文簡(jiǎn)稱SMILE，它的全稱實(shí)際上是“太陽(yáng)風(fēng)-磁層相互作用全景成像衛(wèi)星”(Solar wind Magnetosphere Ionosphere Link Explorer)。這樣一長(zhǎng)串術(shù)語(yǔ)組合而成的衛(wèi)星名，也許會(huì)讓讀者朋友們產(chǎn)生“字都認(rèn)識(shí)，組合在一起就不知所云”的感覺(jué)。實(shí)際上，這顆衛(wèi)星與很多朋友所向往的美景——極光，有著密切的聯(lián)系。
（從地球上看到的美麗極光）
極光是帶電粒子轟擊地球兩極的高層大氣所產(chǎn)生的發(fā)光現(xiàn)象，因其帶來(lái)的令人窒息的視覺(jué)體驗(yàn)而被人們追逐。要想看到這種半空中的絢爛景象并非一件容易的事情，只有親身來(lái)到寒冷的兩極地區(qū)，才有機(jī)會(huì)一睹這種美麗的自然現(xiàn)象。同時(shí)，對(duì)于地理緯度相同的地區(qū)，看到極光的機(jī)會(huì)也不均等。在我國(guó)境內(nèi)，幾乎沒(méi)有可能看到極光，而一旦極光活動(dòng)增強(qiáng)時(shí)，與我國(guó)處于同一緯度范圍的北美地區(qū)的民眾，則有機(jī)會(huì)一飽眼福。
（國(guó)際空間站上看極光）
極光之所以出現(xiàn)的位置如此特別，是因?yàn)楫a(chǎn)生極光的帶電粒子在半空中并非自由飛翔，他們行走路徑受到地球磁場(chǎng)的控制。他們從距離地面數(shù)萬(wàn)到數(shù)十萬(wàn)公里的地方進(jìn)入地球磁場(chǎng)系統(tǒng)后，最終“落地”，在高度90-150公里的范圍內(nèi)產(chǎn)生極光的地理位置，就是地磁場(chǎng)的磁力線即將進(jìn)入地球內(nèi)部的地方——地磁極。由于地磁的南北極和地理上的南北極并不完全重合，地磁南極相對(duì)地理北極（地磁南北極和地理南北極剛好相反）偏向北美地區(qū)，因而才使美加人民獲得了更多的看極光的機(jī)會(huì)。
（一次大磁暴期間的極光可見(jiàn)范圍示意圖，當(dāng)?shù)卮呕顒?dòng)水平到達(dá)一定程度時(shí)，彩色線以北的區(qū)域可以看到極光。由此圖可見(jiàn)，我國(guó)與極光基本無(wú)緣。）
這些帶電粒子并非地球自產(chǎn)自銷，而是太空中的“進(jìn)口”貨。它們從太陽(yáng)表面涌出，在太陽(yáng)附近的日冕中被加熱到數(shù)百萬(wàn)度的高溫，以每秒幾百公里的高速奔向太空之中。當(dāng)它們到達(dá)地球時(shí)，地球的磁場(chǎng)阻礙了它們的奔馳，于是朝向太陽(yáng)一側(cè)的地球磁場(chǎng)被壓縮，背向太陽(yáng)一側(cè)的地球磁場(chǎng)被拉伸，地磁場(chǎng)變得不再對(duì)稱。這些粒子從太陽(yáng)上跑出來(lái)時(shí)，還攜帶了太陽(yáng)的磁場(chǎng)。如果太陽(yáng)磁場(chǎng)的方向與地球磁場(chǎng)的方向，在地球朝向太陽(yáng)的那一側(cè)剛好相反，太陽(yáng)磁場(chǎng)就能打開(kāi)地球磁場(chǎng)的鎧甲，將來(lái)自太陽(yáng)的帶電粒子注入到地球磁場(chǎng)之中。進(jìn)入地磁場(chǎng)后，這些粒子還要經(jīng)歷一系列復(fù)雜的能量轉(zhuǎn)換和加速過(guò)程后，才會(huì)來(lái)到兩極，形成極光。這些來(lái)自太陽(yáng)的帶電粒子，就是“太陽(yáng)風(fēng)”，而被太陽(yáng)風(fēng)所重塑的地球磁場(chǎng)，則被稱為“磁層”?！拔⑿Α毙l(wèi)星所要研究的，就是這個(gè)區(qū)域發(fā)生的物理現(xiàn)象。
（SMILE衛(wèi)星和它索要探測(cè)的地球磁層）
探測(cè)空間天氣，保衛(wèi)人類安全
SMILE衛(wèi)星裝備了四臺(tái)科學(xué)探測(cè)儀器，其中兩臺(tái)的功能是探測(cè)衛(wèi)星所在位置的等離子體和磁場(chǎng)參數(shù)，而另外兩臺(tái)，則可以通過(guò)人的肉眼無(wú)法分辨的極紫外波段和X射線波段，為磁層和極光“拍照片”，幫助科學(xué)家們進(jìn)一步搞清太陽(yáng)風(fēng)究竟是如何與我們的地球磁場(chǎng)相互作用的。在以往對(duì)磁層的探測(cè)中，衛(wèi)星上搭載的大都是局地探測(cè)儀器，只能探測(cè)衛(wèi)星所在位置的參數(shù)，通過(guò)衛(wèi)星的移動(dòng)使科學(xué)家們了解磁層不同部分的性質(zhì)。結(jié)合理論研究和計(jì)算機(jī)數(shù)值模擬，這樣的探測(cè)已經(jīng)使我們建立起來(lái)了對(duì)地球磁層基本結(jié)構(gòu)和變化過(guò)程的概念，但這種只見(jiàn)點(diǎn)而不見(jiàn)面的觀測(cè)，無(wú)法從宏觀上展示太陽(yáng)風(fēng)-磁層相互作用和極光形成的全貌，容易使科學(xué)家們陷入“盲人摸象”的境地。而微笑衛(wèi)星所帶來(lái)的探測(cè)數(shù)據(jù)，將有望改變這一現(xiàn)狀。
（SDO衛(wèi)星拍攝的一次日珥爆發(fā)現(xiàn)象，電影《流浪地球》開(kāi)頭的一段即采用了這次爆發(fā)的視頻）
除了探究自然規(guī)律外，對(duì)太陽(yáng)風(fēng)-磁層相互作用的研究也有著現(xiàn)實(shí)的意義。1989年，太陽(yáng)上發(fā)生了一次劇烈的爆發(fā)，一大團(tuán)裹挾著磁場(chǎng)的等離子體團(tuán)以每秒數(shù)千公里的速度射向太陽(yáng)之中，打破了太空中的平靜。當(dāng)這團(tuán)物質(zhì)打擊到地球時(shí)，地磁場(chǎng)像大地震那樣發(fā)生了劇烈的震顫，在加拿大魁北克地區(qū)的電網(wǎng)中產(chǎn)生的地磁感應(yīng)電流使該地區(qū)的電網(wǎng)癱瘓，占加拿大總?cè)丝跀?shù)約四分之一的的居民失去了供電。2003年萬(wàn)圣節(jié)期間，多個(gè)強(qiáng)太陽(yáng)爆發(fā)相繼襲擊了地球，飛躍北極的洲際航班不得不改變航線以應(yīng)對(duì)極區(qū)增大的輻射劑量和中斷的無(wú)線電通信，日本的一顆對(duì)地觀測(cè)衛(wèi)星被完全損毀，國(guó)際空間站的宇航員緊急進(jìn)入防護(hù)能力較強(qiáng)的艙段躲避增強(qiáng)的輻射，全世界范圍內(nèi)的通訊、導(dǎo)航、供電等部門(mén)也受到了嚴(yán)重的影響。2001年中美南海撞機(jī)事件發(fā)生后，強(qiáng)太陽(yáng)風(fēng)暴的侵襲曾經(jīng)一度干擾了搜救船只的無(wú)線電通信。而冷戰(zhàn)期間，強(qiáng)太陽(yáng)風(fēng)暴引起的雷達(dá)干擾險(xiǎn)些使美蘇兩國(guó)將其誤判為對(duì)方的軍事行動(dòng)而實(shí)施核反擊。
太陽(yáng)活動(dòng)對(duì)人類生產(chǎn)生活的影響，是一門(mén)被稱為“空間天氣”的學(xué)科所研究的內(nèi)容。只有掌握了空間天氣現(xiàn)象中的物理規(guī)律，才有可能在太陽(yáng)上出現(xiàn)特定的不穩(wěn)定結(jié)構(gòu)時(shí)預(yù)報(bào)它可能對(duì)地球產(chǎn)生的影響。完整的空間天氣預(yù)報(bào)需要對(duì)太陽(yáng)大氣到地球的電離層、中高層大氣等一系列區(qū)域的變化進(jìn)行建模和預(yù)報(bào)，而太陽(yáng)風(fēng)-磁層相互作用則是這個(gè)預(yù)報(bào)過(guò)程中的重要一環(huán)。SMILE的探測(cè)數(shù)據(jù)，將可以幫助科學(xué)家們更準(zhǔn)確的進(jìn)行空間天氣預(yù)報(bào)。
中歐空間科學(xué)合作邁向新時(shí)代
中國(guó)和歐洲在空間科學(xué)領(lǐng)域的合作有著良好的傳統(tǒng)。上世紀(jì)八十年代，中科院劉振興院士提出了關(guān)于磁層中磁場(chǎng)重聯(lián)現(xiàn)象的一個(gè)新理論，引起了國(guó)際學(xué)術(shù)界的廣泛關(guān)注。此時(shí)，恰逢歐空局準(zhǔn)備實(shí)施進(jìn)行磁層探測(cè)的“星簇”（Cluster）衛(wèi)星計(jì)劃。為了使Cluster的科學(xué)產(chǎn)出最大化，歐空局廣邀各國(guó)同行一同提出利用“星簇”數(shù)據(jù)進(jìn)行研究的計(jì)劃。劉振興院士團(tuán)隊(duì)的計(jì)劃書(shū)以其獨(dú)特新穎的思路而被歐空局的同行們看中。在上世紀(jì)八十年代末、九十年代初西方各國(guó)對(duì)我國(guó)的態(tài)度普遍不友善的情況下，歐空局羅格·博奈等科學(xué)家沒(méi)有被政治風(fēng)向所左右，堅(jiān)持將中國(guó)同行納入了星簇衛(wèi)星的合作計(jì)劃。
（已故的劉振興院士（左一）與歐空局科學(xué)家）
由于阿麗亞娜火箭首飛失利，星簇計(jì)劃首次發(fā)射以失敗告終，但這并沒(méi)有動(dòng)搖歐空局繼續(xù)實(shí)施這一計(jì)劃的決心。同時(shí)，劉院士也發(fā)現(xiàn)星簇計(jì)劃和當(dāng)時(shí)國(guó)際上的其他衛(wèi)星計(jì)劃對(duì)地球磁層的探測(cè)存在盲區(qū)，如果能在環(huán)繞地球極區(qū)和赤道的軌道上各布置一顆衛(wèi)星，則將能夠更全面的探測(cè)磁層的變化。這個(gè)想法得到了歐洲同行的支持，決定與中國(guó)科學(xué)家的衛(wèi)星計(jì)劃開(kāi)展聯(lián)合探測(cè)。
在劉院士的不懈努力下，他的設(shè)想最終成為了國(guó)家批準(zhǔn)立項(xiàng)的“雙星”計(jì)劃，兩顆衛(wèi)星“探測(cè)一號(hào)”、“探測(cè)二號(hào)”由中歐合作研制，中方負(fù)責(zé)衛(wèi)星平臺(tái)和部分科學(xué)載荷，歐方負(fù)責(zé)另一部分科學(xué)載荷，并在衛(wèi)星研制過(guò)程中的一些關(guān)鍵技術(shù)問(wèn)題上提供幫助。衛(wèi)星由中國(guó)火箭發(fā)射，歐空局提供測(cè)控支持。
與此同時(shí)，重新制造的四顆星簇衛(wèi)星也被成功發(fā)射升空，雙星和星簇的探測(cè)按照雙方科學(xué)家的設(shè)想緊密配合，形成了“雙星-星簇”計(jì)劃，完成了人類歷史上第一次對(duì)地球空間的六點(diǎn)探測(cè)，并因其取得的豐碩成果而獲得國(guó)際宇航科學(xué)院“2010年度杰出團(tuán)隊(duì)成就獎(jiǎng)”。
（劉振興院士（著西服）指導(dǎo)科技人員開(kāi)展“雙星”的研制工作）
微笑衛(wèi)星的科學(xué)構(gòu)想由中歐科學(xué)家共同提出，有效載荷的研制由兩國(guó)團(tuán)隊(duì)共同完成，首席科學(xué)家也由兩方的專家共同擔(dān)任。本次任務(wù)將使用歐洲火箭執(zhí)行發(fā)射任務(wù)，而獲取的數(shù)據(jù)則由兩國(guó)團(tuán)隊(duì)共享?？梢云诖?，在兩國(guó)老一輩科學(xué)家打下的良好基礎(chǔ)下，微笑衛(wèi)星必將實(shí)現(xiàn)東西兩開(kāi)花，演出一部精彩的中歐合拍的空間科學(xué)大戲，在新時(shí)代里為構(gòu)建人類命運(yùn)共同體提供科學(xué)支持。
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