中科院空间中心科研人员给出由磁层X射线二维图像反演三维磁层顶的“工具箱”

人类赖以生存的空间被地球内禀磁场形成的磁层保护着，磁层的外边界称为磁层顶。近些年，研究人员发现磁层顶附近区域在软X射线波段是明亮的。软X射线的辐射机制是太阳风电荷交换（Solar Wind Charge Exchange，简称SWCX）过程，即太阳风中高价重离子和地球大气逃逸的中性成分发生碰撞，由激发态向基态跃迁的过程中发出光子。因此，太阳风能到达的区域就会辐射X射线，而X射线波段明亮和黑暗的交界线就是太阳风发生绕流的边界，即磁层顶。

基于此，中国科学院和欧空局联合提出了太阳风-磁层相互作用全景成像卫星项目（Solar wind Magnetosphere Ionosphere Link Explorer，简称SMILE），对日下点附近的磁层顶、部分极尖区和地球极光进行成像探测，同时对磁场和等离子体进行原位测量，旨在揭示太阳风-磁层相互作用的基本模式，从系统尺度上深入认知太阳风-磁层-电离层耦合的基本物理过程。SMILE卫星计划于2024~2025年发射。在X射线二维图像数据和磁层物理规律的认知之间起到桥梁作用的是如何由图像数据分析出三维磁层顶位形。这是SMILE项目预先研究的核心内容。

近日，中国科学院国家空间科学中心太阳活动与空间天气重点实验室王赤院士与孙天然研究员总结了由磁层X射线二维图像反演三维磁层顶的四种方法，给出了磁层成像数据分析的“工具箱”。该综述文章总结了切向拟合法（Tangent fitting approach, TFA，图1）[Sun et al., 2020]、边界拟合法（Boundary Fitting approach, BFA）[Jorgensen et al., 2019a, 2019b]、切线方向法（Tangent direction approach, TFA）[Collier and Connor, 2018]、和计算机断层分析法（Computerized tomography approach, CTA）[Jorgensen et al., 2022, Wang et al., 2022]这四种方法的优点和局限，指明了各自的适用范围，如表1所示。天气室徐荣栏研究员、孙天然研究员与美国新墨西哥理工大学的Anders Jorgensen等人合作，给出了磁层顶反演的CT方法。针对CT方法，天气室孙天然与系统室李大林副研究员、博士生王荣聪等人开展合作，采用人工智能技术对轨道未能覆盖的观测角度进行图像补全，反演得到三维磁层顶位形，如图2。孙天然及合作者对磁层X射线研究进展进行了综述。

表1 磁层成像数据分析的“工具箱”[摘自Wang and Sun, 2022]

图1 采用切向拟合法TFA，由磁层X射线图像（左）反演三维磁层顶（右）[摘自Sun et al., 2020]

图2 人工智能应用于CT反演方法。左、中图为X射线辐射率在子午面和赤道面的等值线，右图为三维磁层X辐射率反演结果 [摘自Wang et al., 2022]

该系列成果发表在空间物理权威期刊Geoscience Letters、Journal of Geophysical Research等杂志上。研究得到了基金委重点项目、中国科学院前沿科学重点研究计划、空间科学战略先导计划、中国科学院研究基金和国家重点实验室专项研究基金、青促会优秀会员资助计划等的支持。

References：

1.Wang, Chi*, and Sun, Tianran*; Methods to derive the magnetopause from soft X？ray images by the SMILE mission, Geoscience Letters, 9:30, 2022, https://doi.org/10.1186/s40562-022-00240-z

2.孙天然*，张颖洁，韦 飞，彭松武，尧中华，王赤*，地球磁层软X射线信号的辐射特性研究，地球与行星物理论评，2022，accepted

3.Wang, Rongcong, Li Dalin*, Sun Tianran*, Peng Xiaodong, Yang Zhen, Wang J.Q., A 3D Magnetospheric CT Reconstruction Method Based On 3D GAN and Supplementary Limited-Angle 2D Soft X-ray Images. Journal of Geophysical Research: Space Physics, 2022, accepted

4.Jorgensen, A. M.*, Xu, R., Sun, T., Huang, Y., Li, L., Dai, L., & Wang, C. A theoretical study of the tomographic reconstruction of magnetosheath X-ray emissions. Journal of Geophysical Research: Space Physics, 2022, 127, e2021JA029948. https://doi.org/10.1029/2021JA029948

5.Sun T.*, Wang C.*, Connor H. K., Jorgensen A. M., Sembay S; Deriving the magnetopause position from the soft X-ray image by using the tangent fitting approach; Journal of Geophysical Research: Space Physics; 2020, 125, e2020JA028169. https://doi.org/10.1029/2020JA028169

6.Sun T. R.*, Wang C.*, Sembay S. F., Lopez R. E., Escoubet C. P., Branduardi-Raymont G., et al.; Soft X-ray imaging of the magnetosheath and cusps under different solar wind conditions: MHD simulations; Journal of Geophysical Research: Space Physics; 2019, 124. https://doi.org/10.1029/2018JA026093

7.Jorgensen A. M., Sun T.*, Wang C., Dai L., Sembay S., Wei F., et al.; Boundary detection in three dimensions with application to the smile mission: The effect of photon noise; Journal of Geophysical Research: Space Physics; 2019a, 124. https://doi.org/10.1029/2018JA025919

8.Jorgensen A. M.*, Sun T.*, Wang C., Dai L., Sembay S., Zheng J. H., Yu X. Z.; Boundary Detection in Three Dimensions With Application to the SMILE Mission: The Effect of Model-Fitting Noise; Journal of Geophysical Research: Space Physics; 2019b, 124. https://doi.org/10.1029/2018JA026124