研究提出由磁層X射線二維圖像反演三維磁層頂的“工具箱”

　　人類賴以生存的空間被地球內稟磁場形成的磁層保護，磁層的外邊界稱為磁層頂。近些年，有研究發現磁層頂附近區域在軟X射線波段是明亮的。軟X射線的輻射機制是太陽風電荷交換（Solar Wind Charge Exchange，SWCX）過程，即太陽風中高價重離子和地球大氣逃逸的中性成分發生碰撞，由激發態向基態躍遷的過程中發出光子。因此，太陽風能到達的區域就會輻射X射線，而X射線波段明亮和黑暗的交界線是太陽風發生繞流的邊界，即磁層頂。

　　基于此，中國科學院和歐洲航天局聯合提出了太陽風-磁層相互作用全景成像衛星項目（Solar wind Magnetosphere Ionosphere Link Explorer，SMILE），對日下點附近的磁層頂、部分極尖區和地球極光進行成像探測，同時對磁場和等離子體進行原位測量，旨在揭示太陽風-磁層相互作用的基本模式，從系統尺度上探索太陽風-磁層-電離層耦合的基本物理過程。SMILE衛星計劃于2024年至2025年發射。在X射線二維圖像數據和磁層物理規律的認知之間起到橋梁作用的是如何由圖像數據分析出三維磁層頂位形。這是SMILE項目預先研究的核心內容。

　　近日，中科院院士、中科院國家空間科學中心太陽活動與空間天氣重點實驗室研究員王赤與孫天然研究員，總結了由磁層X射線二維圖像反演三維磁層頂的四種方法，給出了磁層成像數據分析的“工具箱”。該綜述文章總結了切向擬合法（Tangent fitting approach，TFA，圖1；Sun et al., 2020）、邊界擬合法（Boundary Fitting approach，BFA；Jorgensen et al., 2019a, 2019b）、切線方向法（Tangent direction approach，TFA；Collier and Connor, 2018）、計算機斷層分析法（Computerized tomography approach，CTA；Jorgensen et al., 2022；Wang et al., 2022）這四種方法的優點和局限，指明了各自的適用范圍（表1）。空間中心研究員徐榮欄、孫天然與美國新墨西哥理工大學等合作，給出了磁層頂反演的CT方法。針對CT方法，孫天然與空間中心副研究員李大林、博士研究生王榮聰等合作，采用人工智能技術對軌道未能覆蓋的觀測角度進行圖像補全，反演得到三維磁層頂位形（圖2）。孫天然與合作者對磁層X射線研究進展進行了綜述。

　　該系列成果發表在Geoscience Letters、Journal of Geophysical Research等上。研究工作得到國家自然科學基金重點項目、中科院前沿科學重點研究計劃、中科院空間科學戰略性先導科技專項、中科院青年創新促進會優秀會員資助計劃等的支持。

表1.磁層成像數據分析的“工具箱”（摘自Wang and Sun, 2022）

圖1.采用切向擬合法TFA，由磁層X射線圖像（左）反演三維磁層頂（右）。（摘自Sun et al., 2020）

圖2.人工智能應用于CT反演方法。左、中圖為X射線輻射率在子午面和赤道面的等值線，右圖為三維磁層X輻射率反演結果。（摘自Wang et al., 2022）