空間地球科學及應用

大氣-空間相互作用監視器(ASIM)

時間:2017-06-17  來源: 文本大小:【 |  | 】  【打印

大氣-空間相互作用監視器ASIM是將安裝在國際空間站(ISS)哥倫布艙的ESA載荷。ASIM針對上層大氣的發光現象,即所謂的瞬態發光事件TLEs和地面伽瑪閃光TGFs的觀察和監測,進行了優化。近二十年來TLEsTGFs都有發現,并且這兩種現象都為大氣高能現象開辟了新的研究領域。

 

1.      引言

近幾十年來,閃電和強雷暴發光現象越來越多。 一方面,瞬態發光事件TLEsTransient Luminous Events)是平流層和中層大氣產生的發光現象。隨著高速相機的出現(能夠每秒幾十幀),進一步推進了TLEs研究。最近,利用非常高速的相機(每秒數千幀),已很好刻畫了這些現象的演化和精細結構。另一方面,地面γ射線閃TGFsTerrestrial GammaRay Flashes)是被軌道天體物理任務發現的非常亮的高能大氣發射(x射線和γ射線)。根據外觀,TLEs主要分為Blue JetsRed SpritesElvesBlue JetsRed Sprites與閃電直接相關,并且源于大氣擊穿,而Elves則由約90公里處產生電離的電磁脈沖產生,Elves的典型壽命大約為1毫秒。Red sprites在中層大氣(55-80公里)生成,持續數毫秒至數十秒。Blue jets是從云頂向上傳播約37公里的光線,速度約100千米/秒,持續時間為數十秒。這些現象如圖1所示。

 

 

1 閃電現象相關的TLEs示意圖

 

TGFsBATSE小組首先報告的發現是由Fishman等(1994)發表的。TGFs是大氣中產生γ射線輻射的明亮爆發,可以由太空科學儀器觀測。TGFs被認為是由雷電頂部電場加速能量逃逸電子的軔致輻射產生的,可能與大氣宇宙射線產生的電子雪崩,或者宇宙射線電子雪崩和閃電放電的組合有關。TGFs通常持續數百微秒,并且已經觀測40KeV80MeV

幾個高能天體物理任務,除了BATSE,已經檢測到TGFsRHESSI(旨在觀測太陽的高能輻射),FERMIAGILE(均致力于觀測宇宙伽馬射線暴)。FERMI團隊甚至對地球大氣層進行了專門觀測,并設計了專門軟件和數據分析技術,以表征TGF輻射。AGILE400 keV-30 MeV能量范圍的TGF探測和表征特別有效,其團隊已經在線發布了TGFs目錄。

這個大氣物理學的新領域已經得到大氣物理學家和高能天體物理學家越來越多的關注,并被空間研究機構認為是了解云形成、強雷暴和閃電、以及氣候變化相關大氣現象的工具。 緊跟這一新科學研究領域, ASIM被認為是專門用于觀測和分析TGFsTLEs的第一批空間任務之一。ASIM是由西班牙、丹麥、挪威、法國、意大利和波蘭貢獻的ESA任務。

2.       ASIM任務

ASIM是具有成像和光譜能力的監測任務,目標是定位TGFsTLEs,并提供經驗數據,將有助于了解這些現象的本質及其之間可能的聯系。雖然已知TLE在強雷暴中與閃電相關,但TGF與兩者之間的關系至今只是一個假設。有一些跡象表明TGFs和閃電之間的關系,但缺乏明確認識。

ASIM將安裝于國際空間站Columbus艙外暴露設施CEPF最低點,從大約400公里的國際空間站連續監測地球大氣。根據瞬態光探測器OTDOptical Transient Detector)和閃電成像探測器LISLightning Imaging Sensor)數據估算,在全球范圍內每秒有大約40個閃電,與大氣NOx分子的化學變化有關(對臭氧層產生有決定性)。因此,對閃電和相關現象進行的觀測和監測已引起科學界的極大興趣。ASIM也將解決這一問題,并首次提供與強雷暴相關現象嚴格同步的光學和高能數據。

ASIM的科學目標將著重于理解TLEsTGFs背后的物理學原理,更深入地了解與閃電的相關性,理解對大氣過程的影響,以及與氣候決定性因素的可能聯系。高空云形成、云帶電、NOx產生、流星、極光等相關其他科學也將在任務研究范圍內。

3.      ASIM 儀器

ASIM載荷包括兩個主要儀器:模塊化X射線與伽馬射線傳感器MXGSModular X and Gamma-ray Sensor)和模塊化多光譜成像陣列MMIAModular Multi-spectral Imaging Array)。圖2顯示了哥倫布艙外載荷適配器CEPA上安裝儀器的位置。

 

2 CEPAMXGSMMIA儀器示意圖

 

MXGS是有兩個檢測器層的編碼掩模成像儀器:一個具有成像能力低能探測器LED,工作能量范圍在15-400 keV,另一個高能探測器HED對更高能量的光子敏感(200keV-20MeV),但沒有成像能力。最佳能量分辨率(LED60 keV10%HED66 keV15)、良好的角位置精度(點源為0.7?,展源2?)、時間分辨率低于5μs,這些特性使MXGS成為定位TGFs的理想儀器,并根據持續時間、光曲線的形狀及其光譜行為來表征其輻射。MXGS將具有80°×80°的視場,零響應為147°×147°,即從ISS看到地球圓盤的大小。表1總結了MXGS的性能,圖3描繪了MXGS模型示意圖。

1 MXGS性能總結

參數

LED

HED

采集面積

1024cm2

900 cm2

能量范圍

15-400 keV

200 keV-20 MeV

能量分辨率

10% 60 keV

15% 662 keV

時間分辨率

5μs

5μs

位置精度(度)

0.7(點源)2(擴散)

 

FOV

80°×80°*

 

* 在零響應147°×147°

 

 

3 MXGS設備示意圖

 

MXGS可能是第一個誤差在約15公里半徑以內定位TGFs的儀器,首次解決了與閃電活動相關的TGF關聯中的模糊性。 MXGS還將在非常寬的能量范圍(從15keV20MeV)首次觀測TGF光譜。MXGS也是第一款專門用于觀測高能大氣現象的掩模成像儀器。

MMIA將由3個光度計和2臺成像相機組成,3個光度計將在337 nm180-230 nm777.4 nm波長范圍工作,相機經過優化在337 nm777.4 nm波長工作最佳,完全覆蓋近紫外到近紅外。相機的時間分辨率為83 ms,光度計為0.01~0.1 s。相機的空間分辨率在0.40.5公里之間,光度計和相機具有相同視場,即61.4°。 MMIA將為強雷暴光輻射(與高能量輻射相反)提供非常寶貴的數據。表2總結了MMIA能力,圖4描繪了儀器模型。

 

 

4 MMIA儀器示意圖

 

表2 MMIA性能總結

參數

照相機

光度計

FOV(Nadir)

61.4°

61.4°

像素

1024×1024

--

像素分辨率(Nadir) (km)

0.4-0.5

--

時間分辨率(ms)

83

0.01-0.1

光譜波段(中心/寬度)(nm)

337/5

777.4/5

337/5

777.5/5

205/50

 

MXGSMMIA將在其觸發模式下協同工作,并能將其觸發信息發送給對方。圖5描繪了儀器能力及其互連交叉觸發系統的示意圖。它們將提供與雷暴活動相關發光輻射的首次嚴格同步觀測。

 

5 MMIAMXGS配置示意圖,描述儀器功能和互連交叉觸發

 

4.      總結

ASIM將幫助科學界解決與TLETGF形成有關的一些問題,這也是大氣物理學最近的一個新興研究領域,被稱為高能大氣物理學。其儀器性能和波長覆蓋能力將高精度定位TGFs,并解答與TLEs、雷暴和閃電相關的問題。

 

文獻來源: Pere Blay, Lola Sabau-Graziati, Victor Reglero, et al., Atmosphere-Space Interactions Monitor (ASIM): State of the Art. Acta Polytechnica CTU Proceedings, 2014, 1(1): 303-306.

 

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