一起来 从笔记本电脑上探索行星等离子体环境

一个新的等离子模拟数据库，结合观测数据和强大的可视化工具，正在为行星科学家提供一种前所未有的方式来探索太阳系最有趣的等离子环境。这个数字空间探索故事从行星探索的集成媒体(IMPEx)开始，这是一个为空间任务创建公共数据中心的合作项目。虽然行星任务对于理解太阳风如何与太阳系中行星和卫星的磁球相互作用至关重要，但数字模型反过来对充分理解测量和提高我们对行星等离子环境的认识至关重要。IMPEx项目汇集了来自奥地利、法国、芬兰和俄罗斯的专家，希望找到一种共同的语言，将各种模拟模型的数据结合起来，并将这些数值结果与整个太阳系空间任务收集的观测数据进行比较。

火星环境的可视化显示火星快线轨道，以及MAVEN飞船在其轨道上取样的磁场观测(红色箭头)。该视图还包括火星中心垂直于地球轨道的XZ平面上磁场大小的模拟地图，X轴指向太阳，以及沿火星快车和MAVEN航天器轨道的模拟磁场矢量(蓝色矢量)。在图像中可以识别不同的区域和边界，如弓形激波或地壳磁场区域。图片：CNES/IRAP/GFI informatique; LatHyS; 3DView

正是在这种背景下，由Ronan Modolo领导的法国“空间观察”实验室的研究小组开始在不同的行星上进行等离子体模拟。Latmos混合模拟(LatHyS)数据库及其使用在今年早些时候发表在《行星与空间科学》特刊上的一项新研究中。LatHyS数据库包含了一些等离子体的模拟结果，等离子体是一种带电粒子的混合物，弥漫在行星际空间中。这些模拟是建立在先进的数值模型的基础上的，这些模型考虑了天体上层大气中许多复杂的物理和化学过程，以及它们与太阳风的相互作用和对太阳辐射的反应。Ganymede，”Modolo解释说：到目前为止，由LatHyS模拟的天体包括火星，水星和木星的卫星，我们正计划将这个数据库扩展到土星的卫星土卫六，从长远来看，扩展到木星的其他卫星，如木卫二或卡莱尔斯托。

该数据库为行星科学社区提供了模拟等离子数据的访问许可权，包括电场和磁场、密度、温度和等离子体体积速度。LatHyS连同一套数据分析和可视化工具，让研究人员可以轻松地将来自不同航天器的数据与模拟结果结合起来，创建三维图像，展示太阳风如何与行星等离子体相互作用，以及更多。几次点击用户可以得到一个逼真的三维场景的等离子体环境的地球和宇宙飞船轨迹,由模拟结果与现场测量丰富,“Dmitri季托夫说,欧洲航天局的火星快车项目科学家和一个用户数据库,他并没有参与这项研究。

用户还可以使用这个工具来创建动画，并在科学方面，将测量结果可视化，并帮助规划未来的观察。为了展示LatHyS及其相关的三维可视化工具在帮助了解行星等离子体环境方面有多么有用，Modolo和他的团队在他们的新研究中提出了一个关于火星的科学案例。他们使用了欧洲航天局的火星快车的观测数据，这个任务从2003年开始就一直在探索这颗红色星球，以前所未有的细节探测它的等离子环境。他们还依赖于数据从第二个火星探测器配备等离子仪器：美国宇航局火星大气与挥发物演化的任务(MAVEN),于2014年到达火星,一直在研究地球的等离子体环境及其交互作用与太阳风与火星快车密切协作。

木星卫星的电离环境的图解，Ganymede，欧空局未来果汁任务的主要目标之一，场景还包括在画面左侧的一个流程图，由穿过果汁轨迹的磁场线完成。图片：CNES/IRAP/GFI informatique; LatHyS; 3DView

在新的研究中，研究人员将MAVEN和Mars Express的数据与LatHyS的模拟结果进行了合并和比较。通过将模拟与观测数据以及两艘太空船的轨道结合起来，他们可以以一种新的方式分析太阳风如何与火星上层大气相互作用。3DView是一种3d可视化工具，也是在IMPEx框架下开发的。这个科学案例关注的是这颗红色的行星以及火星快车和MAVEN的任务，这个数据库可以用来探索太阳系中的其他天体，将模拟结果与其他太空任务的观测数据进行比较。所有使用等离子体仪器的行星任务——过去、现在和未来——都有可能被使用，但目前我们专注于那些致力于火星、水星和Ganymede的行星。

这包括欧空局的罗塞塔号(Rosetta)，它于2007年在飞往67P/Churyumov-Gerasimenko彗星的途中经过火星，以及未来的BepiColombo和JUICE，木星的冰卫星探测器。ESA- jaxa BepiColombo任务中的水星磁层轨道器和水星行星轨道器将探索水星等离子环境的不同区域，而ESA的JUICE则将木星最大的卫星Ganymede作为主要目标之一。Modolo将目光投向未来的任务，因为LatHyS与可视化工具相结合，可以帮助他们制定计划。3-D看太阳系：LatHyS的一个优势在于它与3DView的配合有多好，3DView是一种强大的3d显示科学数据的应用。在目前的版本中，用户可以看到飞船轨迹、行星和其他太阳系天体的位置以及其他特征。

更重要的是，由于与IMPEx和LatHyS的集成，3DView可以显示来自多个空间任务以及模拟的科学数据。3DView由法国等离子体物理数据中心(CDPP)设计，最初于2005年开发，用于可视化欧空局“罗塞塔”(Rosetta)飞船在彗星途中的轨迹。观众现在包括了大约150个太空任务，包括罗塞塔、金星高速、卡西尼-惠更斯，以及太阳系中所有的行星和卫星，以及一些小行星和彗星。3DView提供了在过去、现在和未来的任务中可视化宇宙飞船的可能性，并且，当可用的时候，在太阳系的所有天体上的观测都是由配备等离子仪器的太空任务所探索的。

该工具的主要应用之一，也与LatHyS合作，是帮助科学家和工程师在空间任务的准备阶段，允许他们可视化太空船轨迹和天体环境。2014年3DView的一个版本帮助科学家们在罗塞塔彗星上为“菲莱”探测器选择着陆地点。在这项研究中提出的一个科学案例展示了ESA未来的任务，JUICE，计划在2022年发射。研究人员将几十年前美国国家航空航天局(NASA)的“伽利略计划”(Galileo mission)对Ganymede的观测结果与莱斯(LatHyS)对这颗木星卫星的等离子环境的模拟结果结合在一起。果汁科学家已经用类似的方式使用3DView来分析Ganymede上的模拟，并收集信息，比如最近的路径时间或磁滞穿越，关于未来的月球飞行。

欧空局的果汁项目科学家奥利维尔·维卡斯说:“3d视场工具对观测木星系统中果汁的轨迹非常有用，也可以观测到‘看不见的’磁层边界。”尽管3DView的主要目标受众是科学界，但作为一种教育工具，它也在吸引人们的注意。代码是开源的，软件经常被用于高等教育课程，帮助学生更好地掌握空间物理。从提供探索太阳系的新方法，到规划未来的任务，再到激励下一代太空研究人员，LatHyS和3DView展示了科学家和工程师将观察和模拟结合在一起能获得多少好处。

博科园-科学科普｜参考期刊：Planetary and Space Science｜来自：European Space Agency