捕捉太空中的微笑

——中国空间科学学会孙天然的成长故事

基本情况

姓名:孙天然

工作单位:中国科学院国家空间科学中心

专业方向:空间物理

简介

  孙天然,中国科学院国家空间科学中心副研究员,博士,中国科协青年人才托举工程被托举人,中国科学院青年创新促进会会员。

  2007年于中国科学技术大学获得学士学位,2012年于中国科学院研究生院获得博士学位。2012年应聘于中国科学院国家空间科学中心,主要从事太阳风-磁层耦合的模拟和观测研究。

  现任中欧联合空间科学任务SMILE卫星科学应用系统综合规划与支持分系统主任设计师,SMILE卫星模拟工作组主持。主持国家级/院级科研项目近十项,参与国家自然科学基金项目、国家973项目等数项。

  截至目前,发表学术论文二十余篇,文章总引用百余次。其中1篇文章被美国地球物理学会评选为研究亮点,并在其会刊(EOS)上刊登专文进行科普介绍。曾获中国科学院优秀博士论文奖、中国科学院院长优秀奖、第八次全国空间天气学研讨会优秀青年论文奖、第十三届全国日地空间物理学术讨论会优秀论文奖等数项奖项。现主要研究方向为:地球磁层X射线成像、磁层顶磁场重联、地球磁层对行星际扰动的响应等。

  太阳大气会向外吹出带电的等离子体和电磁场,称为太阳风。太阳风及其携带的高能粒子如果直接打到地球表面,可能会对通讯导航、输电设备、航天器安全等造成巨大威胁。地球的内禀磁场在太阳风作用下形成磁层顶,就像一把巨大的保护伞,阻挡着来自太阳的高能粒子直接打到地球上。所以对于太阳风-磁层相互作用的研究一直是磁层物理研究的前沿课题,具有重要的科学和应用价值。

  孙天然从2007年进入中国科学院研究生院起,一直从事太阳风与地球磁层相互作用过程的研究。2014年协助中欧双方主要负责人提出太阳风-磁层相互作用全景成像卫星计划(即SMILE/微笑卫星计划)。SMILE计划于2016年立项,获得中国科学院和欧州空间局的联合支持。

  2017年,孙天然入选中国科协的第三批青年托举工程。青年托举工程是个支持青年人努力探索、求实创新的平台,在这一平台的支持下,她在地球磁层X射线成像和磁层顶位形反演方面取得重要突破。

  当太阳风中的重离子与近地空间的中性成分发生碰撞,二者之间将会发生电荷交换,并且释放出光子。利用软X射线成像仪可以对该光子进行探测。在太阳风被压缩的磁鞘区和两个漏斗状的极尖区内,X射线的强度更高,从而在X射线成像图上形成笑脸形状,即来自太空的微笑。这种对磁层顶进行成像探测的技术是前所未有的创新。然而如何从二维的成像图中提取出对空间物理研究至关重要的三维磁层顶位形信息则是一项巨大的挑战,在SMILE卫星计划发射后,这将成为从卫星观测数据到空间科学产出之间的瓶颈。因此,孙天然选择了由二维成像图到三维磁层顶位形反演这样一个具有挑战和创新性的研究方向。

  在导师团队的指导下,孙天然及其合作者开展了三维磁层顶位形反演方法的研究。基于太阳风-磁层相互作用的磁流体力学模拟程序,孙天然及其合作者针对来自太空中的微笑 ——磁层的X射线成像图进行了模拟仿真,并且提出了两种从成像图到磁层顶位形的反演方法,并对其反演结果进行比较,突破了从卫星观测数据到空间科学产出之间的瓶颈,为SMILE卫星计划科学目标的实现奠定了基础。

  在今后的研究工作中,孙天然希望针对更加复杂的极尖区位形进行反演方法的研发,同时将磁层顶和极尖区的反演过程程序化、模块化,为SMILE卫星的科学应用系统建设以及基于SMILE观测数据的科学发现打下基础。

  在青年托举工程平台的支持下,经过3年的研究,孙天然提出了2种由二维X射线成像图反演三维磁层顶位形的新方法,比较总结了各方法的适用范围,在SMILE卫星计划的预研工作中攻破了从卫星数据到科学产出之间的瓶颈,为该计划科学目标的实现打下了基础。

  孙天然也成长为硕士研究生导师,独立指导2名研究生,作为第一作者/通讯作者在地球物理学核心SCI期刊(美国地球物理研究和地球物理研究快报)发表论文5篇,主持国家自然科学基金面上项目一项,在中欧联合空间科学卫星项目SMILE里担任X射线成像仪共同负责人(co-PI)、科学应用系统综合规划与支持分系统的主任设计师、以及模拟工作小组主持人。

  在今后的工作中,孙天然将继续秉承大胆创新、严谨治学的信念,为空间物理学的发展和空间技术应用做出力所能及的贡献。