使命守望地球家园
发表时间 2018-10-30 15:15 来源 本站原创

  ——记中国科学院研究员路立博士

  路立,中国科学院国家空间科学中心研究员,中国科学技术大学地球与空间科学系理学博士,中国科学院空间中心空间天气实验室空间物理博士后。曾担任双星计划中性原子成像仪国际合作研制团队中方项目负责人,从事地磁空间磁暴环电流的中性原子成像探测与反演研究;MIT卫星计划的中性原子成像仪(NIAS-H)国际合作团队领导者。

  路立带你看地球

  2012年,地球将迎来一场“超级太阳风暴”。这一推论,源自2009年美国国家科学院的一份特殊报告。2012年7月23日,这场超级太阳风暴如期而至,它差点“命中”地球,其威力“足以把现代文明打回18世纪”。科罗拉多大学研究人员丹尼尔·贝克说:“这场太阳风暴只要提早一周发生,地球可能就被击中了。”幸运的是,那场太阳风暴只是从地球轨道上穿过,击中了美国航天局一颗太阳观测卫星。

  来自地球上的报告,人们已经耳熟能详了。如环境污染、温室效应等;来自地球外的报告,大多数人可能津津乐道于科幻大片。如果有人告诉他,地球在宇宙中航行,比在高速公路开车危险多了,几乎等同于在枪林弹雨中举着盾牌旋转,他可能觉得不可思议。其实这就是地球现在真实的处境。

  而今,天文工作者给地球安装了一双眼睛,时刻注意在周围将要发生什么大事件。

  中国科学院国家空间科学中心研究员路立就是一位这样的天文人。

  他是双星计划中性原子成像仪国际合作研制团队中方项目负责人。

  “地球空间双星探测计划”(简称双星计划),首次由路立所在的中科院空间中心于1997年提出,是空间探测的国际合作计划,并以中方为主。合作方是欧洲空间局(ESA)。这是双方合作的第一个科学探测卫星项目。以两颗微小卫星,围绕地球作大椭圆轨道运行,双轨交叉,分别对地球近赤道区和极区两个地球空间环境变化最为重要的区域进行宽能谱粒子、高精度磁场及其波动的探测。进行大范围的磁层空间同步探测。计划中的两颗卫星的探测数据经过联合处理后,可以探明磁层空间与太阳活动的时序关系,验证目前仍处于理论猜想阶段的磁层空间暴触发机制理论,以及发现重要的能量粒子运输途径等。

  它是国家民用航天“十五”计划中设立的重点科学探测卫星计划,是国家第一次以明确的空间科学问题列入的卫星型号。

  路立所致力的中性原子又是什么?对原子来说,核外电子等于核内质子数,即正负电量相等,原子不显电性,称为中性原子。

  中性原子成像探测是把视线方向粒子相互作用的物理信息迭加在一起,由中性成分携带记录在象元传感器上。例如,可以把中性原子源视为绕磁力线螺旋运动的能量离子与地冕、及近地逃逸层蒸发的能量较低的中性原子,进行电荷交换的产物。

  中性原子成像数据反演,是正在发展中的空间探测数据模拟技术。探测到的中性原子图象数据中,包含了视线方向参与电荷交换的所有粒子携带的大量物理信息,难以直接判读。从中性原子成像探测数据中,提取特定区域里的等离子体物理信息,正在成为针对该类仪器的一项专门的反演技术。

  路立团队研发的成像仪,简而言之,就相当于一个翻译器,将从天外搜集到的变幻莫测的数据,变成可研读的物理图像。

  监测环电流区

  磁暴期间,环电流区域的高能粒子将对运行在地球空间的人造卫星造成不利的影响。环电流所引起的地磁扰动也可能对地球表面的某些设施造成干扰或破坏。因此对环电流的研究,特别是对磁暴环电流的研究显得尤为重要。

  地磁活动获得能量最主要的方式是能量离子携带、输运,能量离子通量最大的分布区域是环电流区。这样来看研究地磁活动规律可以通过对环电流区进行实时监测。以往的空间探测的结论都比较模糊,原因是受到卫星飞行过程中的空间局域性和探测数据的时、空变化不确定性的影响。

  中性原子成像仪具有遥测特性,以系列图像形式对环电流区域等离子体的空间分布和时间演化过程予以清楚明确地描述。上述疑惑在这种技术使用以后开始有了破疑的转机。

  地磁活动骤发并瞬间结束,时间尺度较小,在满足能量中性原子(ENA)图像反演统计需求的前提下,数字图像的时空分辨成为该仪器发挥功能的主要障碍。双星之前的HENA/IMAGE(2000年发射)成像数据需要10分钟以上积分时间方能满足反演所需的统计要求,但它却不能满足对亚暴过程不同阶段进行分析的实际需求。

  地球空间双星探测计划是我国第一次自主提出的国际合作重大空间探测项目,其包括赤道区卫星(TC-1)和近地极区卫星(TC-2)。TC-2卫星上搭载了专用于地球环电流探测的中性原子成像仪(NUADU)。NAUDU采用遥测的方式,可以实现对环电流区离子全局分布和动态演化过程的连续监测,为磁暴环电流的研究提供了强有力的技术手段。

  搭载在我国双星(TC-2卫星,2004年发射)上的中性原子成像仪(NUADU)以其较大的探测器几何因子设计和略低于同类卫星的运行轨道,在2005 年 5 月 15 日磁暴期间,连续收集到很强的ENA辐射图像信号,并据此成功地反演出两次亚暴事件,具有4分钟时间分辨的环电流离子空间分布系列演化过程图像。结合其他卫星和地面探测数据,路立和他的团队首次应用ENA成像技术给出两次连续亚暴事件中环电流离子响应的因果演化时序。

  比较由中性原子图像反演的4 min时间分辨的环电流离子空间分布与地球同步轨道LANL系列卫星 (环绕赤道面~6.6 RE)上同步轨道粒子分析仪(LANL-SOPA)原位离子通量探测数据, 以及相同高度的同步系列卫星GOES的磁场数据, 发现环电流区离子通量增长发生在磁力线尾向拉伸的亚暴增长相阶段, 而不是发生在磁场偶极化之后. 这一发现挑战了以往的环电流离子增长是磁场偶极化期间由磁场裹挟带电粒子从磁尾直接注入的传统认知。



NUADU的电磁兼容(EMC)测试

  2010年4月5日,IBEX(2008年发射)和TWINS(2006、2008年发射)卫星上的中性原子成像仪也探测到在太阳风离子冲击压迫地球磁层伊始(约15分钟之后)ENA辐射图像就开始增强的类似现象。

  仰望星空追求更高的目标

  空间科学卫星是人类认知自然,取得重大突破,最重要和最直接的手段之一。对宇宙的探索和探究可使中国在基础科学方面不断产出重大原创性成果。此外,还将引领中国实现从航天大国到航天强国的跨越发展,为航天产业升级提供新的增长点。中科院已遴选出5个空间科学卫星项目,磁层—电离层—热层耦合小卫星星座探测计划(MIT)是其中之一。

  双星计划以后,路立所在的团队继续在MIT项目上保持与欧洲的技术合作的良好势头。路立参与了NUADU仪器的研制工作,目前他领导一个国际合作团队(任PI),承担MIT卫星计划的中性原子成像仪(NIAS-H)研制工作,同时负责科学数据的处理。他带领中方团队独立完成了MIT先导计划中的中性原子成像仪原理样机的仿制和升级改造。他制定了磁层电离层—热层耦合星座(MIT)卫星计划中高能中性原子成像仪(NAIS-H)的探测原理设计和模拟仿真方案。以双星中性原子成像仪设计思想为基础,依据MIT卫星计划的总体科学目标和磁层卫星的轨道环境及相应自旋姿态,利用国家空间科学中心专业团队的科学技术优势,依据任务需求和MIT卫星的轨道特色,逐一完成了改进仪器的仿真设计,软、硬件研制,定标实验,环境模拟测试等技术环节,真正实现了一次由科学目标引导的卫星载荷研制全过程考验。他给出中性原子成像仪的技术架构,并针对地磁偶极场的环电流模型进行了模拟仿真。仿真结果表明,所研制的NAIS-H以其高时空分辨能力适用于监测和反演磁暴期间磁层等离子体的全球动力学过程。

  随着该项目科学研究的进展和我国在探测技术上的进步,路立团队已经着手第二代两维中性原子编码孔径成像仪的设计。这里编码孔径成像技术是指采用多狭缝组合的孔径成像编码调制设计以获取较高空间角分辨效果的成像技术。



中性原子编码孔径成像仪

  路立认为科技创新固然重要,但是刻意追求创新,为了创新而创新,形同于标新立异。哗众取宠与科研活动中的严谨求真相矛盾。路立更注重科学研究的求真务实,循序渐进。路立和他的团队每一步技术改进都是在科学目标的引领下,踏踏实实地完成的。

  第一代中性原子成像仪(NUADU)在设计理念上追求提高时间分辨率而刻意加大了探测器的几何因子;仿制仪器(NAIS-H)在保持原有特性的基础上提高了仪器的空间分辨;第二代中性原子成像仪为适应低轨道三轴稳定卫星对ENA辐射源的抵近观测采用二维编码孔径设计。

  为了实现高时空分辨的中性原子成像探测,路立和他的团队务实地提出,对遥测仪器而言,所谓分辨是指仪器对探测客体的分辨。因而提高仪器分辨有两个途径:一是提升仪器本身时空分辨能力;再就是预测ENA辐射源的位置,选择卫星轨道实现仪器对观测客体的抵近探测。前者比较奢侈,步履艰难,甚至依赖于整体空间探测技术的进步,而后者则显然更具实践价值。

  业绩如星月必将穿越历史长河

  河南大学创办于1912年,走出过邓拓、姚雪银。1978—1982路立就读于河南大学物理系,获理学学士。

  云南天文台,中国科学院下属的5座天文台之一。路立1982-1986在这里学习太阳物理专业,获理学硕士。云南天文台研究生培养采取“两段式”的培养模式,第一年在南京大学天文系集中参加理论课程学习,第二年开始进入导师所在的研究室。

  中国科技大学首任校长郭沫若,是华罗庚、钱学森任教的地方。路立1998-2000 在此研修地球与空间科学,获理学博士。

  路立2000-2002在中科院空间中心空间天气实验室,获空间物理博士后。

  工作背景

  1988 中科院云南天文台,太阳室,太阳物理研究;

  1988-1997郑州纺织工学院,基础部,物理教学;

  1997-1998 新加坡国立大学,产品工程系,流体绕流模拟研究。

  2002-2011中科院空间中心,空间天气实验室,空间物理探测研究;

  2011-2016 中科院空间中心,空间探测实验室,中性原子成像载荷研制。

  获奖荣誉编辑

  1. 2000年香港求是基金会求是研究生奖学金;

  2. 2001年国家人事部一等博士后奖励基金;

  3. 2005年国防科工委探测卫星研制个人二等功;

  4. 2005欧空局CLUSTER空间探测突出贡献奖;

  5. 2010年国际宇航科学院双星/CLUSTER杰出团队成就奖;

  路立发表论文80余篇。其中SCI、EI论文28篇。《空间物理学进展》第六卷中出版了他的“地球空间的ENA成像探测与反演”专题论著。路立近期的一篇论文中给出了一个TC-2卫星飞临地球轨道近地点时对低高度ENA辐射源的抵近探测实例,这使得他们萌发了对低高度ENA辐射源抵近观测的设想。通过对空间站和一系列太阳同步卫星的低轨道特征位置的探测仿真,路立发现他们的设想不仅可以实现高时空分辨的中性原子成像探测,还可以实现内外辐射带兼顾的南北极共轭成像探测。它将有利于大数据量的天基空间天气预报建设,并能为南大西洋异常区的离子辐射通量分布和演化研究提供南、北半球的对比探测数据支撑。

  专利4项,指导硕士和博士研究生各一名。

  自1957年人类发射第一颗卫星以来,有25位诺贝尔奖获得者是以科学卫星数据得出研究成果。中国的地外探测发展成就世界瞩目,但同时也任重而道远。路立是我国地外探测的亲历者,他致力于的科研项目,是目前国际上空间研究中最具有挑战性的前沿领域之一,他的研究具有重大的科学意义和应用前景,对各种空间活动和人类生存环境皆有重要的影响。