李會超：歐空局批准“微笑”計劃，中歐合拍空間科學大戲將正式開機
3月5日，歐空局網站發佈消息，由中歐科學家共同提出的“微笑”（SMILE）衞星計劃已獲歐空局（ESA）科學計劃委員會的批准。由於在2016年11月，中方負責該衞星項目的中國科學院已經批覆該工程立項，因而歐空局的批准意味着該計劃可以進入實施階段，這場中歐合拍的空間科學大戲即將正式開機。SMILE衞星將為保護人類免受太陽風暴的侵襲作出貢獻，也將把中歐雙方有着良好傳統的空間科學領域合作推向新時代。
（SMILE衞星LOGO）
從美麗的極光説起
這顆衞星“微笑”的名字來源於它的英文簡稱SMILE，它的全稱實際上是“太陽風-磁層相互作用全景成像衞星”(Solar wind Magnetosphere Ionosphere Link Explorer)。這樣一長串術語組合而成的衞星名，也許會讓讀者朋友們產生“字都認識，組合在一起就不知所云”的感覺。實際上，這顆衞星與很多朋友所向往的美景——極光，有着密切的聯繫。
（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生的發光現象，因其帶來的令人窒息的視覺體驗而被人們追逐。要想看到這種半空中的絢爛景象並非一件容易的事情，只有親身來到寒冷的兩極地區，才有機會一睹這種美麗的自然現象。同時，對於地理緯度相同的地區，看到極光的機會也不均等。在我國境內，幾乎沒有可能看到極光，而一旦極光活動增強時，與我國處於同一緯度範圍的北美地區的民眾，則有機會一飽眼福。
（國際空間站上看極光）
極光之所以出現的位置如此特別，是因為產生極光的帶電粒子在半空中並非自由飛翔，他們行走路徑受到地球磁場的控制。他們從距離地面數萬到數十萬公里的地方進入地球磁場系統後，最終“落地”，在高度90-150公里的範圍內產生極光的地理位置，就是地磁場的磁力線即將進入地球內部的地方——地磁極。由於地磁的南北極和地理上的南北極並不完全重合，地磁南極相對地理北極（地磁南北極和地理南北極剛好相反）偏向北美地區，因而才使美加人民獲得了更多的看極光的機會。
（一次大磁暴期間的極光可見範圍示意圖，當地磁活動水平到達一定程度時，彩色線以北的區域可以看到極光。由此圖可見，我國與極光基本無緣。）
這些帶電粒子並非地球自產自銷，而是太空中的“進口”貨。它們從太陽表面湧出，在太陽附近的日冕中被加熱到數百萬度的高温，以每秒幾百公里的高速奔向太空之中。當它們到達地球時，地球的磁場阻礙了它們的奔馳，於是朝向太陽一側的地球磁場被壓縮，背向太陽一側的地球磁場被拉伸，地磁場變得不再對稱。
這些粒子從太陽上跑出來時，還攜帶了太陽的磁場。如果太陽磁場的方向與地球磁場的方向，在地球朝向太陽的那一側剛好相反，太陽磁場就能打開地球磁場的鎧甲，將來自太陽的帶電粒子注入到地球磁場之中。進入地磁場後，這些粒子還要經歷一系列複雜的能量轉換和加速過程後，才會來到兩極，形成極光。這些來自太陽的帶電粒子，就是“太陽風”，而被太陽風所重塑的地球磁場，則被稱為“磁層”。“微笑”衞星所要研究的，就是這個區域發生的物理現象。
（SMILE衞星和它所要探測的地球磁層）
探測空間天氣，保衞人類安全
SMILE衞星裝備了四台科學探測儀器，其中兩台的功能是探測衞星所在位置的等離子體和磁場參數，而另外兩台，則可以通過人的肉眼無法分辨的極紫外波段和X射線波段，為磁層和極光“拍照片”，幫助科學家們進一步搞清太陽風究竟是如何與我們的地球磁場相互作用的。在以往對磁層的探測中，衞星上搭載的大都是局地探測儀器，只能探測衞星所在位置的參數，通過衞星的移動使科學家們瞭解磁層不同部分的性質。結合理論研究和計算機數值模擬，這樣的探測已經使我們建立起來了對地球磁層基本結構和變化過程的概念，但這種只見點而不見面的觀測，無法從宏觀上展示太陽風-磁層相互作用和極光形成的全貌，容易使科學家們陷入“盲人摸象”的境地。而微笑衞星所帶來的探測數據，將有望改變這一現狀。
（SDO衞星拍攝的一次日珥爆發現象，電影《流浪地球》開頭的一段即採用了這次爆發的視頻）
除了探究自然規律外，對太陽風-磁層相互作用的研究也有着現實的意義。1989年，太陽上發生了一次劇烈的爆發，一大團裹挾着磁場的等離子體團以每秒數千公里的速度射向太陽之中，打破了太空中的平靜。當這團物質打擊到地球時，地磁場像大地震那樣發生了劇烈的震顫，在加拿大魁北克地區的電網中產生的地磁感應電流使該地區的電網癱瘓，佔加拿大總人口數約四分之一的的居民失去了供電。
2003年萬聖節期間，多個強太陽爆發相繼襲擊了地球，飛躍北極的洲際航班不得不改變航線以應對極區增大的輻射劑量和中斷的無線電通信，日本的一顆對地觀測衞星被完全損毀，國際空間站的宇航員緊急進入防護能力較強的艙段躲避增強的輻射，全世界範圍內的通訊、導航、供電等部門也受到了嚴重的影響。
2001年中美南海撞機事件發生後，強太陽風暴的侵襲曾經一度干擾了搜救船隻的無線電通信。而冷戰期間，強太陽風暴引起的雷達干擾險些使美蘇兩國將其誤判為對方的軍事行動而實施核反擊。
太陽活動對人類生產生活的影響，是一門被稱為“空間天氣”的學科所研究的內容。只有掌握了空間天氣現象中的物理規律，才有可能在太陽上出現特定的不穩定結構時預報它可能對地球產生的影響。完整的空間天氣預報需要對太陽大氣到地球的電離層、中高層大氣等一系列區域的變化進行建模和預報，而太陽風-磁層相互作用則是這個預報過程中的重要一環。SMILE的探測數據，將可以幫助科學家們更準確的進行空間天氣預報。
中歐空間科學合作邁向新時代
中國和歐洲在空間科學領域的合作有着良好的傳統。上世紀八十年代，中科院劉振興院士提出了關於磁層中磁場重聯現象的一個新理論，引起了國際學術界的廣泛關注。此時，恰逢歐空局準備實施進行磁層探測的“星簇”（Cluster）衞星計劃。為了使Cluster的科學產出最大化，歐空局廣邀各國同行一同提出利用“星簇”數據進行研究的計劃。劉振興院士團隊的計劃書以其獨特新穎的思路而被歐空局的同行們看中。在上世紀八十年代末、九十年代初西方各國對我國的態度普遍不友善的情況下，歐空局羅格·博奈等科學家沒有被政治風向所左右，堅持將中國同行納入了星簇衞星的合作計劃。
（已故的劉振興院士（左一）與歐空局科學家）
由於阿麗亞娜火箭首飛失利，星簇計劃首次發射以失敗告終，但這並沒有動搖歐空局繼續實施這一計劃的決心。同時，劉院士也發現星簇計劃和當時國際上的其他衞星計劃對地球磁層的探測存在盲區，如果能在環繞地球極區和赤道的軌道上各佈置一顆衞星，則將能夠更全面的探測磁層的變化。這個想法得到了歐洲同行的支持，決定與中國科學家的衞星計劃開展聯合探測。
在劉院士的不懈努力下，他的設想最終成為了國家批准立項的“雙星”計劃，兩顆衞星“探測一號”、“探測二號”由中歐合作研製，中方負責衞星平台和部分科學載荷，歐方負責另一部分科學載荷，並在衞星研製過程中的一些關鍵技術問題上提供幫助。衞星由中國火箭發射，歐空局提供測控支持。與此同時，重新制造的四顆星簇衞星也被成功發射升空，雙星和星簇的探測按照雙方科學家的設想緊密配合，形成了“雙星-星簇”計劃，完成了人類歷史上第一次對地球空間的六點探測，並因其取得的豐碩成果而獲得國際宇航科學院“2010年度傑出團隊成就獎”。
（劉振興院士（着西服）指導科技人員開展“雙星”的研製工作）
微笑衞星的科學構想由中歐科學家共同提出，有效載荷的研製由兩國團隊共同完成，首席科學家也由兩方的專家共同擔任。本次任務將使用歐洲火箭執行發射任務，而獲取的數據則由兩國團隊共享。可以期待，在兩國老一輩科學家打下的良好基礎下，微笑衞星必將實現東西兩開花，演出一部精彩的中歐合拍的空間科學大戲，在新時代裏為構建人類命運共同體提供科學支持。
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