太阳持续不断地向外发射带电粒子流，称为太阳风。太阳风到达地球附近后，通过与地球磁场相互作用，将太阳风的质量、动量和能量输运至地球空间。太阳风、磁层和电离层之间的耦合是日地相互作用的关键环节，对于认识地球空间环境至关重要。在此背景下，中国科学院和欧空局合作提出了太阳风-磁层相互作用全景成像（SMILE）任务，计划于2025年发射（图1为SMILE任务徽标）。基于软X射线成像技术，SMILE有望首次实现太阳风-磁层相互作用关键区域的大尺度成像探测。

图1 SMILE徽标

    在卫星发射前的实施阶段，通过预先科学研究必须要回答的三个关键问题是：如何成像？如何反演？如何应用？
    针对这些问题，SMILE模拟工作组（Modeling Working Group, MWG）开展了预先研究工作。近期，模拟工作组与《地球与行星物理》（Earth and Planetary Physics, EPP）杂志合作，组织召集了“SMILE任务模拟和数据分析方法”专刊一期，共22篇文章。
    专刊内容涵盖了7个研究方向：
    01 软X射线成像仪（SXI）的设计和性能
    02 磁鞘和极尖区软X射线辐射建模
    03 X射线图像数据处理方法
    04 由二维图像重建三维磁层顶边界
    05 与SMILE相关的物理现象和任务
    06 极光研究
    07 SMILE与地面台站的协同探测

图2 EPP封面图

    文章具体内容如下：
    01 软X射线成像仪的设计和性能：Sembay等总结了SXI的关键部件、仪器性能和观测模式，并利用磁流体力学（MHD）和仪器模拟证明了SXI对磁层顶日下点的分辨精度可达0.5RE。Hubbard等评估了构成SXI焦平面阵列的感光耦合组件（CCD）的仪器背景。Parsons等通过实验验证了CCD的性能符合SMILE-SXI的采购规范。
    02 磁鞘和极尖区软X射线辐射建模：Samsonov等利用MHD模拟研究了行星际磁场（IMF）转南的事件，验证了磁层顶的动态运动可以被SXI捕获。郭进等人利用混合模拟发现磁鞘中的局部X射线辐射率可能具有较大的振幅波动（高达160%），但由X射线图像分辨出的磁层顶位置不会受磁鞘波动的显著影响。杨忠炜等人利用混合模拟发现在IMF径向条件下由高速流引起的磁层顶形变在空间尺度上可以达到~1RE，并可以持续几分钟。Grandin等通过混合-弗拉索夫模拟，保守估计磁鞘中通量传输事件的X射线强度增强为12%。Jung等开发的磁鞘参数模型可以从任意给定的观测位置快速估算SXI成像结果。Koutroumpa利用原子物理数据及ACE的太阳风离子丰度测量数据，系统地计算了不同太阳风类型和太阳活动周下太阳风电荷交换过程的效率因子。
    03 X射线图像数据处理方法：基于XMM-Newton观测，张颖洁等评估了两种去除软X射线背景信号的方法。利用王荣聪等提出的基于深度学习的图像复原算法，能够去除SXI图像中的背景噪声、显著提高磁层顶位置的判断精度。
    04 由二维图像重建三维磁层顶边界：Read基于MHD模拟评估了磁层顶位置重建算法中所采用的假设条件。基于日下点附近磁层表面是球形的假设，Kim等由X射线图像重建了日下点磁层顶位置。Cucho-Padin等基于计算机断层扫描（CT）技术发展了重建磁层顶位置的方法。在两颗卫星同时对磁层顶进行立体X射线成像的情况下，Jorgensen等证实，可以对磁层顶日下点进行实时重建。
    05 与SMILE相关的物理现象和任务：Hsieh和Sibeck同时使用太阳风观测、地球同步轨道观测以及地面观测，分析了地面磁场南/北分量突然增强的原因，发现符合IMF-Bz变化以及太阳风动压变化两种模型的事件数量几乎相等。Echim等发现全球MHD模拟的侧翼磁层顶厚度可比观测大一个数量级。Kuntz等分析了将高光谱分辨的新卫星任务应用于磁层研究的可行性：线发射映射器（LEM），即基于大孔径X射线微热量观测仪的观测卫星，预计于2032年发射。
    06 极光研究：针对极光图像，Ohma等给出了去除非极光背景的方法，并使用IMAGE数据验证了其有效性。梁军等人建立了从RGB（红-绿-蓝）紫外极光观测结果到真实的绿色极光光谱强度的合理转换方法。
    07 SMILE与地面台站的协同探测：Carter等介绍了SMILE与地面台站进行协同探测的规划和设想、开发了在线数据融合软件，并对协同探测的科学目标进行了论述。张佼佼等人分析了SMILE和EISCAT-3D的联合探测能力。

来源：国家空间科学中心