近日，中国科学院国家空间科学中心李保权研究团队利用“慧眼”卫星X射线的掩星数据，反演得到了地球中高层大气密度，该系列成果已发表在《地球物理学报》（Chinese Journal of Geophysics）, 《空间研究进展》（Advances in Space Research）, 《大气测量技术》（Atmospheric Measurement Techniques）和《遥感》（Remote Sensing）等国内外学术期刊上。
    提起“慧眼”，你一定最先想到黑洞、脉冲星这类高能目标。而为什么这样的空间探测器，却能够对地球大气进行测量呢？这其中的门道，可着实不小。就让我们一起从“掩星”这两个字聊起，看看科学家们究竟是怎样做到的。
    所谓掩星，一般指的是一种天象。意思是当一个天体，恰好出现在观测者与另一个天体的中间，离观测者较近的天体能够完全遮挡较远的天体的现象。有趣的是，如果我们将参与“掩”的目标再拓展一下，就会出现“万物”皆可掩的情况：行星可以掩恒星，月亮可以掩太阳（日食），甚至一架飞机、一栋楼房，都可以掩住远处的星光。

图1：行星的大气层，也可以掩星 （图片来源：NASA）

    同理，始终包裹着地球的大气层，也会遮挡甚至吸收这些遥远的光子，从而“掩”住恒星。不过，地球大气可是个“挑食”的主儿，对于不同波长的光并不“一视同仁”，而会有选择地进行吸收[1]。我们每天都见到的可见光，大部分都可以穿透“空旷”的天空，不过容易被云遮挡；与可见光一样持有“大气层通行证”的还有一些射电波段；大家熟悉的紫外线，大部分会被臭氧层吸收；而诸如X射线、γ射线等波段的电磁波，则几乎完全无法到达地面。这些通过大气层时透射率高的波段，也被天文学家称为大气窗口[2,3]。

图2：射电和光学波段，是两个主要的大气窗口（图片来源：wikipedia）

    由于大气窗口的存在，可见光波段的天文台，往往会选择建在晴天多、大气稀薄、视宁度好的高海拔地区。一些射电波段，则不太怕各种天气的干扰，比如我国的天眼射电望远镜，就安放在“天无三日晴”的贵州。
    那对于那些没有“大气层通行证”的波段，又该怎么办呢？天文学家给出了“打不过就躲”的机智方案。没错，越过大气，把望远镜送到外太空，就能观测这些波段了。空间望远镜便在这样的背景下诞生了。从1970年发射的美国天文卫星UHURU，到2021年12月成功发射的詹姆斯·韦伯空间望远镜（JWST），人类已将数十台天文望远镜送到了太空。
    我国于2017年6月发射了硬X射线调制望远镜卫星“慧眼”，这也是我国的第一颗空间X射线天文卫星[4]。“慧眼”卫星在天上工作的五年中，对黑洞、中子星等X射线源进行了大量的观测，对脉冲星导航进行了进一步的验证，产出了大量的科研成果。

图3：“慧眼”卫星观测磁星模拟效果图 （图片来源：中国科学院高能物理研究所）

    不同于地面的望远镜，会跟随地球24小时自转一周，“慧眼”位于地表之上550km的高度，每一个半小时左右就会围绕地球旋转一圈。在这样的过程中，针对某些特定角度的目标，观测很难连续进行，每间隔一段时间就会被地球所遮挡一次。不仅如此，地球大气层对X射线还存在很强的吸收作用。遥远天体发出的电磁波经过长时间星际传播抵达地球，其本身就非常微弱，如果再被大气层拦腰阻断，就更是微乎其微了。因此，在实际观测过程中，面对这些穿过地球大气后被捕捉到的衰减信号，科学家一般会将这些数据剔除掉，扔进“垃圾桶”中。
    然而，正是这些废弃的数据，却发挥了意想不到的作用，也就是我们在文章开头所说的例子。那么，这个“变废为宝”的神奇过程究竟是如何实现的，又有什么样的意义呢？
    针对大气密度的测量，人们很早就进行了尝试，并想出了很多方法。但是，这些方法或多或少，都存在着一些局限性。例如使用热气球测量，往往只能达到35km的高度，再往上气球就容易因为内外压力差过大而产生破裂[5]；使用探空火箭虽然可以飞得更高，但成本非常高，无法长期使用，在地域限制的影响下，使得火箭也无法在任意的地方发射[6]；激光雷达测大气密度方法多集中在30km到90km左右的高度，探测高度也有限[7]。而“X射线掩星法”能在一定程度上很好地解决这些问题，它能在全球范围内，实现50–250 km海拔范围内大气密度的反演。也正因为如此，“X射线掩星法”对于大气密度研究及其相关应用意义重大[8]。

图4：X射线掩星观测示意图 （图片来源：中国科学院国家空间科学中心）

    大气会对天体的X射线进行吸收，密度越高、厚度越大的大气，吸收率也就越高。那么反过来，如果我们知道X射线源在没有大气时的信号强度，并与有大气时探测到的信号进行对比，结合当时所处位置的大气厚度，就可以反推出来该位置下的大气密度。科学家们使用红外波段、可见光波段等，也可以做类似的研究。不过红外波段主要可以探测水蒸气、甲烷等气体，可见光波段可以探测二氧化氮等气体[9]。
    通过“慧眼”卫星的数据，中国科学院国家空间科学中心（以下简称空间中心）的研究人员选择了氧分子、氧原子、氮分子、氮原子、氩原子五种组分（空气的主要组成成分）进行研究。目前，空间中心的研究人员，针对X射线掩星技术已经反演得到了85–200 km范围内地球的大气密度[10,11]，并利用大气成分X射线截面在吸收限位置处的突变性，反演了120–250 km范围内大气成分的密度廓线[12]。

图5：105–200 km范围内大气密度反演结果[11]

图6：N、O等成分密度与NRLMSISE-00模型的对比[12]

    科学家坚持不懈地探索高层大气的密度可不仅仅是为了满足好奇心，无论是科学研究上，还是实际应用上，这个数据都至关重要。对于科研来说，地球中高层大气同时受到来自上方的太阳活动和地磁活动的影响，以及来自下方的地形、天气活动、重力波的影响，所以地球中高层大气表现出非常复杂且多样的变化特征，中高层大气密度作为表征中高层大气的基本参数，可用于深入了解日地关系和圈层耦合的物理机制[13]。而对于应用领域，地球中高层大气是空天飞行器的通过区域，中高层大气密度的准确测量也影响着空天飞行器的精密定轨、变轨控制、空间碎片的碰撞规避以及再入飞行器的返回控制等[14]。
    通过以上研究发现，1–10 keV范围内的掩星数据，可反演约85-200 km高度范围的大气密度。如果能量扩展的话，掩星范围也会扩展。如果将能量扩展至0.2–100 keV，届时，大气密度测量范围可扩展到50–250km，掩星数据也将发挥更大的作用。
“慧眼”卫星的主要探测目标是宇宙中的X射线源。而掩星观测，让一些在主目标没有价值的数据，得以发挥余热，变废为宝，做出更多的贡献。
    目前，“慧眼”卫星已经在轨安全地运行了5年，早已超过其设计寿命。而由于其良好的运行状态和卫星平台资源，科学家们也决定延长它的使用寿命，发挥更大的作用。未来，相信“慧眼”还会带来更多的成果与产出，让我们拭目以待。

参考文献：
[1] Grigorian K H. 1957. Selective Absorption in Earth's Atmosphere. Communications of the Byurakan Astrophysical Observatory, 23: 29-34.
[2] Tait E, John S. 1953. The infrared transmission of atmospheric windows. Journal of the Franklin Institute, 255(3): 189-208.
[3] Wallington T J, Sulbaek Andersen M P, Nielsen O J. 2010. Relative integrated IR absorption in the atmospheric window is not the same as relative radiative efficiency. Proceedings of the National Academy of Sciencesof the United States of America, 107(48): E178-E179.
[4] Zhang S N, Li T P, Lu F J, et al. 2020. Overview to the Hard X-ray Modulation Telescope (Insight-HXMT) Satellite. Science China Physics, Mechanics & Astronomy, 63: 249502.
[5] 翟英诺. 高空气球探测大气温度[C]// 中国空间科学学会空间探测专业委员会第七次学术会议论文集. 1994.
[6] 陈金城. 探空火箭（气象火箭）发展及需求[C]// 中国空间科学学会空间探测专业委员会第七次学术会议论文集. 1994.
[7] 黎莲春，敖发良. 2010. 瑞利激光雷达探测中层大气密度和温度 [J]. 桂林电子科技大学学报, 30(4): 281-284.
[8] 余道淳, 李保权, 刘亚宁, 李海涛. 2022. 基于X射线能谱拟合的地球中性大气数密度反演模拟及误差分析. 地球物理学报, 65(11): 4163-4173, doi: 10.6038/cjg2022Q0158.
[9] 孙明晨, 吴小成, 胡雄. 2020. 星光掩星探测技术的轨道模拟结果分析. 光谱学与光谱分析, 40(1): 298-304.
[10] Yu D C, Li H T, Li B Q, et al. 2022. New method for Earth neutral atmospheric density retrieval based on energy spectrum fitting during occultation with LE/Insight-HXMT. Advances in Space Research, 69(9): 3426-3434, doi: 10.1016/j.asr.2022.02.030.
[11] Yu D C, Li H T, Li B Q, et al. 2022. Measurement of the vertical atmospheric density profile from the X-ray Earth occultation of the Crab Nebula with Insight-HXMT. Atmospheric Measurement Techniques, 15(10): 3141-3159, doi: 10.5194/amt-15-3141-2022.
[12] Yu D C, Li B Q. 2022. Simulation Calculation of Element Number Density in the Earth’s Atmosphere Based on X-ray Occultation Sounding. Remote Sensing, 14(19): 4971, doi: 10.3390/rs14194971.
[13] Emmert J T. 2015. Thermospheric mass density: A review. Advances in Space Research, 56(5): 773-824.
[14] Doornbos E, Klinkrad H. 2006. Modelling of space weather effects on satellite drag. Advances in Space Research, 37(6): 1229-1239.

来源：国家空间科学中心