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)星計劃已獲歐空局（ESA）科學(xué)計劃委員會的批準(zhǔn)。由于在2016年11月，中方負(fù)責(zé)該衛(wèi)星項目的中國科學(xué)院已經(jīng)批復(fù)該工程立項，因而歐空局的批準(zhǔn)意味著該計劃可以進(jìn)入實施階段，這場中歐合拍的空間科學(xué)大戲即將正式開機(jī)。SMILE衛(wèi)星將為保護(hù)人類免受太陽風(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)域合作推向新時代。
（SMILE衛(wèi)星LOGO）
從美麗的極光說起
這顆衛(wèi)星“微笑”的名字來源于它的英文簡稱SMILE，它的全稱實際上是“太陽風(fēng)-磁層相互作用全景成像衛(wèi)星”(Solar wind Magnetosphere Ionosphere Link Explorer)。這樣一長串術(shù)語組合而成的衛(wèi)星名，也許會讓讀者朋友們產(chǎn)生“字都認(rèn)識，組合在一起就不知所云”的感覺。實際上，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并非一件容易的事情，只有親身來到寒冷的兩極地區(qū)，才有機(jī)會一睹這種美麗的自然現(xiàn)象。同時，對于地理緯度相同的地區(qū)，看到極光的機(jī)會也不均等。在我國境內(nèi)，幾乎沒有可能看到極光，而一旦極光活動增強(qiáng)時，與我國處于同一緯度范圍的北美地區(qū)的民眾，則有機(jī)會一飽眼福。
（國際空間站上看極光）
極光之所以出現(xiàn)的位置如此特別，是因為產(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的控制。他們從距離地面數(shù)萬到數(shù)十萬公里的地方進(jìn)入地球磁場系統(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。
（一次大磁暴期間的極光可見范圍示意圖，當(dāng)?shù)卮呕顒铀降竭_(dá)一定程度時，彩色線以北的區(qū)域可以看到極光。由此圖可見，我國與極光基本無緣。）
這些帶電粒子并非地球自產(chǎn)自銷，而是太空中的“進(jìn)口”貨。它們從太陽表面涌出，在太陽附近的日冕中被加熱到數(shù)百萬度的高溫，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，地球的磁場阻礙了它們的奔馳，于是朝向太陽一側(cè)的地球磁場被壓縮，背向太陽一側(cè)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(cè)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(jìn)入地磁場后，這些粒子還要經(jīng)歷一系列復(fù)雜的能量轉(zhuǎn)換和加速過程后，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(fēng)”，而被太陽風(fēng)所重塑的地球磁場，則被稱為“磁層”。“微笑”衛(wèi)星所要研究的，就是這個區(qū)域發(fā)生的物理現(xiàn)象。
（SMILE衛(wèi)星和它索要探測的地球磁層）
探測空間天氣，保衛(wèi)人類安全
SMILE衛(wèi)星裝備了四臺科學(xué)探測儀器，其中兩臺的功能是探測衛(wèi)星所在位置的等離子體和磁場參數(shù)，而另外兩臺，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(xué)家們進(jìn)一步搞清太陽風(fēng)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，衛(wèi)星上搭載的大都是局地探測儀器，只能探測衛(wèi)星所在位置的參數(shù)，通過衛(wèi)星的移動使科學(xué)家們了解磁層不同部分的性質(zhì)。結(jié)合理論研究和計算機(jī)數(shù)值模擬，這樣的探測已經(jīng)使我們建立起來了對地球磁層基本結(jié)構(gòu)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(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)星所帶來的探測數(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，對太陽風(fēng)-磁層相互作用的研究也有著現(xiàn)實的意義。1989年，太陽上發(fā)生了一次劇烈的爆發(fā)，一大團(tuán)裹挾著磁場的等離子體團(tuán)以每秒數(shù)千公里的速度射向太陽之中，打破了太空中的平靜。當(dāng)這團(tuán)物質(zhì)打擊到地球時，地磁場像大地震那樣發(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年萬圣節(jié)期間，多個強(qiáng)太陽爆發(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)對極區(qū)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衛(wèi)星被完全損毀，國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)太陽風(fēng)暴的侵襲曾經(jīng)一度干擾了搜救船只的無線電通信。而冷戰(zhàn)期間，強(qiáng)太陽風(fēng)暴引起的雷達(dá)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(chǎn)生活的影響，是一門被稱為“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，才有可能在太陽上出現(xiàn)特定的不穩(wěn)定結(jié)構(gòu)時預(yù)報它可能對地球產(chǎn)生的影響。完整的空間天氣預(yù)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(qū)域的變化進(jìn)行建模和預(yù)報，而太陽風(fēng)-磁層相互作用則是這個預(yù)報過程中的重要一環(huán)。SMILE的探測數(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。
中歐空間科學(xué)合作邁向新時代
中國和歐洲在空間科學(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)于磁層中磁場重聯(lián)現(xiàn)象的一個新理論，引起了國際學(xué)術(shù)界的廣泛關(guān)注。此時，恰逢歐空局準(zhǔn)備實施進(jìn)行磁層探測的“星簇”（Cluster）衛(wèi)星計劃。為了使Cluster的科學(xué)產(chǎn)出最大化，歐空局廣邀各國同行一同提出利用“星簇”數(shù)據(jù)進(jìn)行研究的計劃。劉振興院士團(tuán)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(jì)八十年代末、九十年代初西方各國對我國的態(tài)度普遍不友善的情況下，歐空局羅格·博奈等科學(xué)家沒有被政治風(fēng)向所左右，堅持將中國同行納入了星簇衛(wèi)星的合作計劃。
（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，星簇計劃首次發(fā)射以失敗告終，但這并沒有動搖歐空局繼續(xù)實施這一計劃的決心。同時，劉院士也發(fā)現(xiàn)星簇計劃和當(dāng)時國際上的其他衛(wèi)星計劃對地球磁層的探測存在盲區(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(xué)家的衛(wèi)星計劃開展聯(lián)合探測。
在劉院士的不懈努力下，他的設(shè)想最終成為了國家批準(zhǔn)立項的“雙星”計劃，兩顆衛(wèi)星“探測一號”、“探測二號”由中歐合作研制，中方負(fù)責(zé)衛(wèi)星平臺和部分科學(xué)載荷，歐方負(fù)責(zé)另一部分科學(xué)載荷，并在衛(wèi)星研制過程中的一些關(guān)鍵技術(shù)問題上提供幫助。衛(wèi)星由中國火箭發(fā)射，歐空局提供測控支持。
與此同時，重新制造的四顆星簇衛(wèi)星也被成功發(fā)射升空，雙星和星簇的探測按照雙方科學(xué)家的設(shè)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，并因其取得的豐碩成果而獲得國際宇航科學(xué)院“2010年度杰出團(tuán)隊成就獎”。
（劉振興院士（著西服）指導(dǎo)科技人員開展“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團(tuán)隊共同完成，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)則由兩國團(tuán)隊共享。可以期待，在兩國老一輩科學(xué)家打下的良好基礎(chǔ)下，微笑衛(wèi)星必將實現(xiàn)東西兩開花，演出一部精彩的中歐合拍的空間科學(xué)大戲，在新時代里為構(gòu)建人類命運(yùn)共同體提供科學(xué)支持。
