Solar wind Magnetosphere Ionosphere Link Explorer ( SMILE ) — это запланированная совместная миссия Европейского космического агентства и Китайской академии наук . SMILE впервые снимет магнитосферу Солнца в мягком рентгеновском и ультрафиолетовом диапазонах в течение 40 часов на орбиту, улучшив понимание динамического взаимодействия солнечного ветра и магнитосферы Земли. [3] [4] Главные научные вопросы миссии SMILE:
Каковы основные режимы взаимодействия дневного солнечного ветра и магнитосферы?
Что определяет цикл суббури?
Как возникают бури, вызванные выбросами корональной массы, и какова их связь с суббурями?
По состоянию на апрель 2024 года ожидается, что SMILE будет запущен в конце 2025 года. [2]
Обзор
Миссия будет наблюдать за взаимодействием солнечного ветра с магнитосферой с помощью рентгеновских и ультрафиолетовых камер (SXI и UVI), собирая одновременные изображения и видео дневной магнитопаузы (где магнитосфера Земли встречается с солнечным ветром), полярных каспов (область в каждом полушарии, где частицы солнечного ветра имеют прямой доступ к ионосфере Земли) и аврорального овала (область вокруг каждого геомагнитного полюса, где полярные сияния возникают чаще всего). SMILE также будет одновременно собирать измерения in situ с помощью двух других инструментов, составляющих его полезную нагрузку — ионного анализатора (LIA) и магнитометра (MAG). Эти инструменты будут отслеживать ионы в солнечном ветре , магнитооболочке и магнитосфере, одновременно обнаруживая изменения в локальном постоянном магнитном поле.
SMILE должен достичь достаточно большой высоты, чтобы увидеть внешний край магнитопаузы Земли и в то же время получить хорошее пространственное разрешение аврорального овала. Выбранная орбита поэтому сильно эллиптическая и сильно наклоненная (70 или 98 градусов в зависимости от запускающей установки), и проводит SMILE треть пути к Луне в апогее (высота 121 182 км, т.е. 19 радиусов Земли или R E ). Этот тип орбиты позволяет SMILE проводить большую часть своего времени (около 80%, что эквивалентно девяти месяцам в году) на большой высоте, позволяя космическому аппарату впервые собирать непрерывные наблюдения в течение более 40 часов. Эта орбита также ограничивает время, проведенное в поясах Ван Аллена с высокой радиацией и в двух тороидальных поясах. SMILE будет выведен на низкую околоземную орбиту с помощью ракеты-носителя Vega-C с космодрома Куру во Французской Гвиане, а ее двигательный модуль выведет космический аппарат на номинальную орбиту с высотой перигея около 5000 км. [1]
Космический аппарат SMILE состоит из платформы, предоставленной Китайской академией наук (CAS), прикрепленной к модулю полезной нагрузки, содержащему почти все научные приборы и систему связи X-диапазона, предоставленную ESA. Модуль полезной нагрузки будет построен Airbus . [5] Платформа состоит из двигательной установки и сервисного модуля, а также двух детекторов (или головок) ионного прибора. Центр управления миссией будет управляться CAS; обе организации будут совместно управлять Центром научных операций. [ необходима цитата ]
Инструменты
Основные приборы на борту космического корабля будут включать: [3] [1]
Soft X-ray Imager (SXI) – широкоугольный телескоп типа «лобстер-глаз», использующий микропористую оптику для спектрального картирования местоположения, формы и движения границ магнитосферы Земли, включая ударную волну, магнитопаузу и каспы, путем наблюдения за излучением процесса обмена зарядом солнечного ветра (SWCX). SXI оснащен двумя большими рентгеновскими чувствительными детекторами с зарядовой связью (ПЗС), охватывающими энергетический диапазон от 0,2 кэВ до 2,5 кэВ, и имеет оптическое поле зрения, охватывающее 15,5° × 26,5°. Этот телескоп разрабатывается, строится и будет калиброваться в Университете Лестера , Великобритания, и других учреждениях по всей Европе. ПЗС закупаются у Teledyne e2v , Великобритания, ESA и калибруются Открытым университетом , Великобритания.
UV Imager (UVI) — ультрафиолетовая камера для съемки северных полярных регионов Земли. Она будет изучать связь между процессами, происходящими на границах магнитосферы, как это видно с помощью SXI, и процессами, действующими на заряженные частицы, выпадающие в нашу ионосферу. UVI — это четырехзеркальный телескоп, снимающий ультрафиолетовое излучение с длинами волн от 155 до 175 нм с помощью детектора CMOS. Он разбит на три логических раздела: UVI-камера (UVI-C) и UVI-электроника (UVI-E), соединенные через жгут (UVI-H). Философия оптической конструкции UVI основана на осевой 4-зеркальной системе, оптимизированной для орбиты SMILE и требуемой частоты и пространственного разрешения. Технология УФ-фильтра в сочетании с 4-зеркальной конструкцией обеспечивает на порядки большее подавление видимого света, чем предыдущие полярные миссии, и является фактором, способствующим достижению научных целей UVI. Детекторный модуль состоит из усилителя изображения на основе микроканальной пластины (MCP), оптически связанного с детектором CMOS. [6] UVI имеет поле зрения 10° × 10° и будет иметь пространственное разрешение изображения в апогее 150 км, используя четыре тонкопленочных зеркала для направления света в детектор. Временное разрешение составит до 60 с. UVI создан NSSC в сотрудничестве с бельгийским Льежским космическим центром (CSL), ЕКА, Калгарийским университетом и Полярным научно-исследовательским институтом Китая.
Анализатор легких ионов (LIA) – определит свойства и поведение ионов солнечного ветра и магнитослоя в различных условиях путем измерения трехмерного распределения скоростей протонов и альфа-частиц. Он состоит из двух электростатических анализаторов типа «цилиндр», каждый из которых установлен на противоположной стороне платформы. Он способен производить выборку полного трехмерного распределения 4π солнечного ветра и может измерять ионы в диапазоне энергий от 0,05 до 20 кэВ с временным разрешением до 0,5 секунды. Это совместное предприятие Китайского национального космического научного центра, CAS, и Лаборатории космических наук Малларда Лондонского университетского колледжа (UCL-MSSL), Великобритания и LPP/CNRS/Ecole Polytechnique, Франция.
Магнитометр (MAG) – будет использоваться для определения ориентации и величины магнитного поля в солнечном ветре и магнитооболочке, а также для обнаружения любых ударов или разрывов солнечного ветра, проходящих над космическим аппаратом. Два трехосных датчика будут установлены вдали от космического аппарата на 3-метровой стреле на расстоянии около 80 см друг от друга, с соответствующим электронным блоком, установленным на основном корпусе SMILE. Такая конфигурация позволит MAG действовать как градиентометр и позволит точно определять фоновое магнитное поле SMILE и вычитать его из любых измерений. MAG будет измерять три компонента магнитного поля в диапазоне +/- 12800 нТл. Это совместное предприятие Китайского национального космического научного центра, CAS, и Института космических исследований Австрийской академии наук.
Рабочие группы
Для подготовки миссии SMILE было создано несколько рабочих групп, в том числе:
Рабочая группа по научным исследованиям на месте
Рабочая группа SMILE по научным исследованиям на месте создана для поддержки команды SMILE в обеспечении достижения и оптимизации научных целей миссии, а также в добавлении ценности к научным исследованиям SMILE. Деятельность SWG по научным исследованиям на месте сосредоточена на оптимизации конструкции, эксплуатации, планировании калибровок, определении научных целей и возможностей пакета инструментов на месте, включая связи с другими магнитосферными космическими миссиями.
Рабочая группа моделирования
Рабочая группа моделирования SMILE предоставляет следующую поддержку моделирования для предстоящей миссии SMILE:
1. Грандиозная задача моделирования: сравнение МГД-моделей и требований/целей SXI -
унифицировать метод расчета рентгеновского излучения (та же модель нейтральной плотности, фон и т. д.),
проверьте разницу между моделями по сигналам обмена зарядом солнечного ветра (SWCX) и по граничным местоположениям (головная ударная волна, магнитопауза и касп)
представить точку зрения МГД на диапазон мощности рентгеновского сигнала.
предоставить диапазон ожидаемых положений границ при различных потоках солнечного ветра.
дать единую оценку научным требованиям и целям (насколько высок поток солнечного ветра, необходимый для нахождения границ в пределах разрешения 0,5RE в течение 5 минут или разрешения 0,2 RE в течение 1 минуты?)
2. Отслеживание границ по данным SXI
выберите один из образцовых результатов моделирования для проверки методов отслеживания границ.
Тест А. Йоргенсена и Т. Сана по методу отслеживания магнитопаузы с использованием спецификации SXI (орбита, поле зрения, фон, шум и т. д.) [7]
Тест М. Колльера и Х. Коннора по методу отслеживания магнитопаузы с использованием той же спецификации SXI [8] виден в мягких рентгеновских лучах.
разработать новые методы определения границ плазмы с помощью рентгеновских изображений
подготовить программный инструмент для анализа данных SXI
разработать и проверить методы трассировки других границ (ударная волна и выступы)
3. Другие научные проекты
исследовать, видны ли в мягком рентгеновском излучении небольшие сигнатуры магнитослоя, такие как высокоскоростные струи магнитослоя.
исследовать магнитосферно-ионосферную связь с помощью мягкого рентгеновского излучения и изображений полярных сияний
Рабочая группа по наземным и дополнительным научным исследованиям
Рабочая группа SMILE Ground-based and Additional Science координирует поддержку миссии в сообществе физиков солнечно-земных взаимодействий. Их цель — максимально увеличить усвоение данных SMILE и, следовательно, максимизировать научный результат миссии. Они будут координировать будущие наблюдательные кампании с другими экспериментальными установками, как на земле, так и в космосе, например, используя режимы высокого разрешения для установок Super Dual Auroral Radar Network или с EISCAT 3D, и сопоставляя их с данными других миссий, запущенных в то же время. Рабочая группа также разрабатывает набор инструментов и средство визуализации для объединения данных SMILE и вспомогательных экспериментов.
Рабочая группа по взаимодействию с общественностью
Рабочая группа SMILE Public Engagement стремится продвигать SMILE и его науку среди широкой общественности, любительских научных обществ и школьников всех возрастов. Члены группы активно выступают с презентациями, иллюстрирующими науку, которую создаст SMILE, и ее влияние на наши знания о солнечно-земных взаимодействиях. Они налаживают контакты с организациями, продвигающими науку в начальных и средних школах, особенно в социально-экономически неблагополучных районах, проводят практические семинары и содействуют карьере в науке. Группа фокусируется на SMILE как на практическом примере того, как разрабатываются космические проекты, и поощряет учеников следить за его прогрессом до запуска и после него. Она также содействует международным обменам, хорошим примером которых является перевод книги «Аврора и Спотти» для детей (и, возможно, для некоторых взрослых тоже), изначально написанной на испанском языке, на китайский язык.
Результаты основных моментов
2024
Январь - Специальный выпуск по методам моделирования и анализа данных для миссии SMILE с 21 рецензируемой статьей, опубликованной в журнале Earth and Planetary Physics, см. предисловие [9]
2023
7 марта - Геоэффективность межпланетных альвеновских волн. I. Магнитопауза Магнитное пересоединение и непосредственно вызванные суббури [10]
2022
17 декабря - Определение расстояния до магнитопаузы с помощью мягкого рентгеновского томографа: 1. Магнитосферное маскирование [11]
15 декабря - Определение расстояния до магнитопаузы с помощью мягкого рентгеновского томографа: 2. Методы анализа двумерных рентгеновских изображений [12]
22 июня - Определение положения магнитопаузы с помощью моделирования мягкого рентгеновского томографа с широким полем зрения [13]
2021
1 марта - Новый метод инверсии для реконструкции плотности плазмосферного He+ из изображений в КУФ-диапазоне [14]
18 февраля - Эксплуатационные характеристики и смоделированные моментные неопределенности ионного спектрометра с асимметричным полем зрения 2π для измерений ионов в космосе [15]
21 февраля - Мягкие рентгеновские лучи и ENA-снимки дневной магнитосферы Земли [16]
2020
20 октября - Автоматический алгоритм определения границ полярных сияний с глубокими особенностями и двойным набором уровней [17]
20 августа - Определение положения магнитопаузы из мягкого рентгеновского изображения с использованием метода касательной [18]
17 апреля - Настолько ли однозначна связь между динамическим давлением солнечного ветра и расстоянием до магнитопаузы? [19]
2019
27 августа - Научный обзор ЕКА: Кластер и XMM прокладывают путь для SMILE [20]
1 мая — Обнаружение границ в трех измерениях с применением к миссии SMILE: эффект шума подгонки модели [21]
2018
17 декабря - Отчет об исследовании определения SMILE Европейского космического агентства [3]
Награды
2020
21 мая - Дженнифер Картер из Университета Лестера (Великобритания) была удостоена премии L'Oréal-ЮНЕСКО Великобритании и Ирландии 2020 года «Женщины в науке» за восходящие таланты в области физических наук.
История
После успеха миссии Double Star ЕКА и КАН впервые решили совместно выбрать, спроектировать, реализовать, запустить и использовать результаты космической миссии. После первоначальных семинаров в январе 2015 года был объявлен конкурс заявок. После совместного рецензирования предложений по миссии SMILE был выбран в качестве лучшего кандидата из 13 предложенных. [22] Предложение по миссии SMILE [23] совместно возглавлялось Лондонским университетским колледжем и Китайским национальным центром космических наук. С июня по ноябрь 2015 года миссия прошла начальные исследования для определения готовности концепции, а в ноябре 2015 года Комитет по научной программе ЕКА дал окончательное одобрение миссии. 18 декабря 2015 года был объявлен запрос информации (RFI) о положениях для модуля полезной нагрузки. Целью был сбор информации от потенциальных поставщиков для оценки требований к модулю полезной нагрузки с низким уровнем риска, учитывая заявленный интерес к миссии, в рамках подготовки к приглашению к тендеру в 2016 году. [24] Обзор требований к системе миссии был завершен в октябре 2018 года, а принятие миссии Комитетом по научной программе ЕКА было предоставлено в марте 2019 года. [25] SMILE успешно завершил обзор критически важного проекта космического аппарата и миссии (CDR) в июне 2023 года в Шанхае. [26]
^ ab "Улыбки вокруг: Vega-C запустит миссию ESA по исследованию солнечного ветра". ESA . 30 апреля 2024 г. Получено 27 июня 2024 г.
^ abc Branduardi-Raymont, G.; Wang, C.; Escoubet, CP; et al. (2018). Отчет об исследовании определения ESA SMILE (PDF) (Технический отчет). Европейское космическое агентство . стр. 1– 84. doi :10.5270/esa.smile.definition_study_report-2018-12. S2CID 239612452. ESA/SCI(2018)1. Архивировано (PDF) из оригинала 22 апреля 2023 г.
^ "Airbus приносит УЛЫБКУ в ESA". Airbus . Получено 31 июля 2019 .
^ "SMILE instruments". Национальный центр космических наук . Получено 9 октября 2024 г.
^ Йоргенсен, AM; T. Sun; C. Wang; L. Dai; S. Sembay; F. Wei; Y. Guo; R. Xu (2019). «Обнаружение границ в трех измерениях с применением к миссии SMILE: эффект фотонного шума». Журнал геофизических исследований: космическая физика . 124 (6): 4365. Bibcode : 2019JGRA..124.4365J. doi : 10.1029/2018JA025919. hdl : 2381/45334 . S2CID 204266610.
^ Кольер, MR; Коннор, HK (2018). «Реконструкция поверхности магнитопаузы по наблюдениям касательного вектора». Журнал геофизических исследований: космическая физика . 123 (12): 9022– 9034. Bibcode : 2018JGRA..12310189C. doi : 10.1029/2018JA025763 . hdl : 2060/20180008652 .
^ Сан, ТР; Коннор, Х.; Самсонов, А. (2024). «Предисловие к специальному выпуску по методам моделирования и анализа данных для миссии SMILE». Earth and Planetary Physics . 8 (1): 1– 4. Bibcode : 2024E&PP....8....1S. doi : 10.26464/epp2023089 .
^ Дай, Л.; Хан, И.; Ван, К.; Яо, С.; Гонсалес, В.; Дуань, С.; Лавро, Б.; Жэнь, И.; Го, З. (2023). "Геоэффективность межпланетных альфвеновских волн. I. Магнитопауза Магнитное пересоединение и непосредственно управляемые суббури". The Astrophysical Journal . 945 (47): 47. Bibcode :2023ApJ...945...47D. doi : 10.3847/1538-4357/acb267 .
^ Самсонов, А.; Картер, JA; Рид, А.; Сембай, С.; Брандуарди-Реймонт, Г.; Сибек, Д.; Эскубе, П. (2022). «Определение расстояния отстоя магнитопаузы с помощью мягкого рентгеновского сканера: 1. Магнитосферное маскирование». Журнал геофизических исследований: Космическая физика . 127 (12). Bibcode : 2022JGRA..12730848S. doi : 10.1029/2022JA030848 .
^ Самсонов, А.; Сембай, С.; Рид, А.; Картер, JA; Брандуарди-Реймонт, Г.; Сибек, Д.; Эскубе, П. (2022). «Определение расстояния отстоя магнитопаузы с помощью мягкого рентгеновского сканера: 2. Методы анализа двумерных рентгеновских изображений». Журнал геофизических исследований: Космическая физика . 127 (12). Bibcode : 2022JGRA..12730850S. doi : 10.1029/2022JA030850 .
^ Го, И.; Сан, Т.; Ван, К.; Сембай, С. (2022). «Выведение положения магнитопаузы из моделирования мягкого рентгеновского изображения с широким полем зрения». Sci. China Earth Sci . 65 (8): 1601– 1611. Bibcode :2022ScChD..65.1601G. doi :10.1007/s11430-021-9937-y. S2CID 250065345.
^ Хуан, И.; Дай, Л.; Ван, Ч.; Сюй, Р.Л.; Ли, Л. (2021). «Новый метод инверсии для реконструкции плотности плазмосферного He+ по изображениям в EUV-диапазоне». Earth Planet. Phys . 5 (2): 218– 222. Bibcode : 2021E&PP....5..218H. doi : 10.26464/epp2021020 (неактивен 1 ноября 2024 г.).{{cite journal}}: CS1 maint: DOI неактивен по состоянию на ноябрь 2024 г. ( ссылка )
^ Су, Б.; Конг, LG; Чжан, AB; Клекер, B.; Эскубе, CP; Катария, DO; Дай, L. (2021). «Производительность и смоделированные моментные неопределенности ионного спектрометра с асимметричным полем зрения 2π для измерений ионов в космосе». Обзор научных приборов . 92 (2): 024501. doi : 10.1063/5.0028866 . PMID 33648106.
^ Connor, HK; Sibeck, DG; Collier, MR; et al. (2021). «Мягкое рентгеновское излучение и получение изображений ENA дневной магнитосферы Земли». Журнал геофизических исследований: космическая физика . 126 (3): e2020JA028816. Bibcode : 2021JGRA..12628816C. doi : 10.1029/2020JA028816 . PMC 7988574. PMID 33777610 .
^ Tian, C.-J.; Du, H.-D.; Yang, P.-L.; Zhou, Z.-M.; Zhao, X.-F.; Zhou, S. (2020). «Автоматический алгоритм определения границ полярных сияний с глубокими признаками и двойным набором уровней». Журнал геофизических исследований: космическая физика . 125 (10). Bibcode : 2020JGRA..12527833T. doi : 10.1029/2020JA027833. S2CID 224859541.
^ Сан, Т.; Ванг, К.; Коннор, ХК; Йоргенсен, А.М.; Сембай, С. (2020). «Выведение положения магнитопаузы из мягкого рентгеновского изображения с использованием подхода касательной подгонки». Журнал геофизических исследований: космическая физика . 125 (9). Bibcode : 2020JGRA..12528169S. doi : 10.1029/2020JA028169. S2CID 225422666.
^ Самсонов, АА; и др. (2020). «Является ли связь между динамическим давлением солнечного ветра и расстоянием отступа магнитопаузы настолько простой?». Geophys. Res. Lett . 47 (8). Bibcode :2020GeoRL..4786474S. doi : 10.1029/2019GL086474 . hdl : 2027.42/154966 .
^ Коннор, ХК; Картер, JA (2019). «Экзосферная плотность нейтрального водорода в номинальной подсолнечной точке 10 RE, выведенная из рентгеновских наблюдений XMM-Newton». Журнал геофизических исследований: космическая физика . 124 (3): 1612– 1624. Bibcode : 2019JGRA..124.1612C. doi : 10.1029/2018JA026187 .
^ Йоргенсен, AM; Сан, T.; Ван, C.; Дай, L.; Сембай, S.; Чжэн, J.; Ю, X. (2019). «Обнаружение границ в трех измерениях с применением к миссии SMILE: эффект шума подгонки модели». Журнал геофизических исследований: космическая физика . 124 (6): 4341– 4355. Bibcode : 2019JGRA..124.4341J. doi : 10.1029/2018JA026124 . hdl : 2381/45333 .
^ "ESA и Китайская академия наук изучат Smile в рамках совместной миссии". ESA. 22 июня 2015 г. Получено 5 октября 2015 г.
^ Брандуарди-Реймонт, Грациелла; Ван, Чи. "Совместная научная космическая миссия Китайской академии наук (CAS) - Европейского космического агентства (ESA) ПРЕДЛОЖЕНИЕ SMILE: Solar wind Magnetosphere Ionosphere Link Explorer" (PDF) . Получено 4 июня 2015 г.
^ «Запрос информации (RFI) о предоставлении модуля полезной нагрузки для совместной миссии ESA-China SMILE». ESA . 18 декабря 2015 г. . Получено 8 января 2016 г. .
^ "SMILE mission summary". ESA . 22 апреля 2021 г. . Получено 22 апреля 2021 г. .
^ "Совместная китайско-европейская космическая миссия входит в фазу летной модели". Space Daily. 11 июля 2023 г. Получено 15 сентября 2023 г.
Внешние ссылки
Веб-сайт ESA SMILE (для широкой публики): https://www.esa.int/Science_Exploration/Space_Science/Smile
Веб-сайт ESA SMILE (научная рабочая группа): https://www.cosmos.esa.int/smile
Сайт SMILE Китайской академии наук: http://english.nssc.cas.cn/smile/
Веб-сайт консорциума SMILE UCL/Космической научной лаборатории Малларда: http://www.mssl.ucl.ac.uk/SMILE/
Веб-сайт SXI Университета Лестера: https://le.ac.uk/physics/research/space-projects-instrumentation/projects