一起來！從筆記本電腦上探索行星等離子體環境

一個新的等離子模擬資料庫，結合觀測數據和強大的可視化工具，正在為行星科學家提供一種前所未有的方式來探索太陽系最有趣的等離子環境。這個數字空間探索故事從行星探索的集成媒體(IMPEx)開始，這是一個為空間任務創建公共數據中心的合作項目。雖然行星任務對於理解太陽風如何與太陽系中行星和衛星的磁球相互作用至關重要，但數字模型反過來對充分理解測量和提高我們對行星等離子環境的認識至關重要。IMPEx項目彙集了來自奧地利、法國、芬蘭和俄羅斯的專家，希望找到一種共同的語言，將各種模擬模型的數據結合起來，並將這些數值結果與整個太陽系空間任務收集的觀測數據進行比較。

火星環境的可視化顯示火星快線軌道，以及MAVEN飛船在其軌道上取樣的磁場觀測(紅色箭頭)。該視圖還包括火星中心垂直於地球軌道的XZ平面上磁場大小的模擬地圖，X軸指向太陽，以及沿火星快車和MAVEN航天器軌道的模擬磁場矢量(藍色矢量)。在圖像中可以識別不同的區域和邊界，如弓形激波或地殼磁場區域。圖片：CNES/IRAP/GFI informatique; LatHyS; 3DView

正是在這種背景下，由Ronan Modolo領導的法國「空間觀察」實驗室的研究小組開始在不同的行星上進行等離子體模擬。Latmos混合模擬(LatHyS)資料庫及其使用在今年早些時候發表在《行星與空間科學》特刊上的一項新研究中。LatHyS資料庫包含了一些等離子體的模擬結果，等離子體是一種帶電粒子的混合物，瀰漫在行星際空間中。這些模擬是建立在先進的數值模型的基礎上的，這些模型考慮了天體上層大氣中許多複雜的物理和化學過程，以及它們與太陽風的相互作用和對太陽輻射的反應。Ganymede，」Modolo解釋說：到目前為止，由LatHyS模擬的天體包括火星，水星和木星的衛星，我們正計劃將這個資料庫擴展到土星的衛星土衛六，從長遠來看，擴展到木星的其他衛星，如木衛二或卡萊爾斯托。

該資料庫為行星科學社區提供了模擬等離子數據的訪問許可權，包括電場和磁場、密度、溫度和等離子體體積速度。LatHyS連同一套數據分析和可視化工具，讓研究人員可以輕鬆地將來自不同航天器的數據與模擬結果結合起來，創建三維圖像，展示太陽風如何與行星等離子體相互作用，以及更多。幾次點擊用戶可以得到一個逼真的三維場景的等離子體環境的地球和宇宙飛船軌跡,由模擬結果與現場測量豐富,「Dmitri季托夫說,歐洲航天局的火星快車項目科學家和一個用戶資料庫,他並沒有參與這項研究。

用戶還可以使用這個工具來創建動畫，並在科學方面，將測量結果可視化，並幫助規劃未來的觀察。為了展示LatHyS及其相關的三維可視化工具在幫助了解行星等離子體環境方面有多麼有用，Modolo和他的團隊在他們的新研究中提出了一個關於火星的科學案例。他們使用了歐洲航天局的火星快車的觀測數據，這個任務從2003年開始就一直在探索這顆紅色星球，以前所未有的細節探測它的等離子環境。他們還依賴於數據從第二個火星探測器配備等離子儀器：美國宇航局火星大氣與揮發物演化的任務(MAVEN),於2014年到達火星,一直在研究地球的等離子體環境及其交互作用與太陽風與火星快車密切協作。

木星衛星的電離環境的圖解，Ganymede，歐空局未來果汁任務的主要目標之一，場景還包括在畫面左側的一個流程圖，由穿過果汁軌跡的磁場線完成。圖片：CNES/IRAP/GFI informatique; LatHyS; 3DView

在新的研究中，研究人員將MAVEN和Mars Express的數據與LatHyS的模擬結果進行了合併和比較。通過將模擬與觀測數據以及兩艘太空船的軌道結合起來，他們可以以一種新的方式分析太陽風如何與火星上層大氣相互作用。3DView是一種3d可視化工具，也是在IMPEx框架下開發的。這個科學案例關注的是這顆紅色的行星以及火星快車和MAVEN的任務，這個資料庫可以用來探索太陽系中的其他天體，將模擬結果與其他太空任務的觀測數據進行比較。所有使用等離子體儀器的行星任務——過去、現在和未來——都有可能被使用，但目前我們專註於那些致力於火星、水星和Ganymede的行星。

這包括歐空局的羅塞塔號(Rosetta)，它於2007年在飛往67P/Churyumov-Gerasimenko彗星的途中經過火星，以及未來的BepiColombo和JUICE，木星的冰衛星探測器。ESA- jaxa BepiColombo任務中的水星磁層軌道器和水星行星軌道器將探索水星等離子環境的不同區域，而ESA的JUICE則將木星最大的衛星Ganymede作為主要目標之一。Modolo將目光投向未來的任務，因為LatHyS與可視化工具相結合，可以幫助他們制定計劃。3-D看太陽系：LatHyS的一個優勢在於它與3DView的配合有多好，3DView是一種強大的3d顯示科學數據的應用。在目前的版本中，用戶可以看到飛船軌跡、行星和其他太陽系天體的位置以及其他特徵。

更重要的是，由於與IMPEx和LatHyS的集成，3DView可以顯示來自多個空間任務以及模擬的科學數據。3DView由法國等離子體物理數據中心(CDPP)設計，最初於2005年開發，用於可視化歐空局「羅塞塔」(Rosetta)飛船在彗星途中的軌跡。觀眾現在包括了大約150個太空任務，包括羅塞塔、金星高速、卡西尼-惠更斯，以及太陽系中所有的行星和衛星，以及一些小行星和彗星。3DView提供了在過去、現在和未來的任務中可視化宇宙飛船的可能性，並且，當可用的時候，在太陽系的所有天體上的觀測都是由配備等離子儀器的太空任務所探索的。

該工具的主要應用之一，也與LatHyS合作，是幫助科學家和工程師在空間任務的準備階段，允許他們可視化太空船軌跡和天體環境。2014年3DView的一個版本幫助科學家們在羅塞塔彗星上為「菲萊」探測器選擇著陸地點。在這項研究中提出的一個科學案例展示了ESA未來的任務，JUICE，計劃在2022年發射。研究人員將幾十年前美國國家航空航天局(NASA)的「伽利略計劃」(Galileo mission)對Ganymede的觀測結果與萊斯(LatHyS)對這顆木星衛星的等離子環境的模擬結果結合在一起。果汁科學家已經用類似的方式使用3DView來分析Ganymede上的模擬，並收集信息，比如最近的路徑時間或磁滯穿越，關於未來的月球飛行。

歐空局的果汁項目科學家奧利維爾·維卡斯說:「3d視場工具對觀測木星系統中果汁的軌跡非常有用，也可以觀測到『看不見的』磁層邊界。」儘管3DView的主要目標受眾是科學界，但作為一種教育工具，它也在吸引人們的注意。代碼是開源的，軟體經常被用於高等教育課程，幫助學生更好地掌握空間物理。從提供探索太陽系的新方法，到規劃未來的任務，再到激勵下一代太空研究人員，LatHyS和3DView展示了科學家和工程師將觀察和模擬結合在一起能獲得多少好處。

博科園-科學科普｜參考期刊：Planetary and Space Science｜來自：European Space Agency

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