向风暴之中结伴航行，带您走进MMS

在地球上，有着多种多样的风暴，遍布于大海、陆地和天空。而在空间物理领域，我们将那些超出平常的，剧烈的磁场、电场的波动和扰动，也称作为“风暴”。

美国NASA的探测任务MMS（Magnetospheric Multiscale Mission，磁层多尺度任务），就是一支探索地球磁层的船队，深入到磁场重联、能量粒子加速和各式各样的等离子体湍流中去。在看不见的风暴中，探寻磁场和等离子体的奥秘。

MMS于2015年3月13日02:44 UTC发射，到今天，已经走过了五个年头有余，为人类认识磁层做出了杰出的贡献，也打破了多个人造飞行器的记录。今天，我们就来认识一下它。

No.1

地球磁层？

相比于地质学这样的老牌学科，空间物理学是一门非常年轻的学科，它是随着人类进入太空时代，才渐渐发展起来的。顾名思义，我们这门学科就是用物理的方法，解读空间中的种种现象。

我们之前说，MMS研究磁场重联、能量粒子加速和湍流，这些都是存在于地球磁层中的具体的现象。那我们为什么研究这些现象呢？

地球磁层的部分结构示意图

正如大家都知道的，宇宙中可观测的物质的95%以上（甚至达到99%，取决于不同的标准），都是以等离子体形式存在。地球磁层中的这些现象，与等离子体的行为是密不可分的。

太阳风与地球磁层的相互作用（艺术想象图）

地球磁场无时不刻在与太阳风磁场发生对抗，等离子体就被约束在这样一个变化的磁场之中运动，不断发生能量交换，加速、振动，乃至于诱发磁场的重联现象——这样的环境，让我们想起一个，承载了人类伟大愿景的科学装置：

中国科学技术大学

反场箍缩磁约束聚变实验装置“科大一环”

没错，可控核聚变。可控核聚变中利用到的高温高能等离子体，正是用磁场约束的。

人类研究等离子体有很多年头了，如今分化出了两个重要的分支。一个，是研究空间中自然存在的、能级范围广阔的空间等离子体，代表的学科就有空间物理学等；而另一个，则是我们更熟悉的，在人工实验中了解、分析和利用等离子体的基础学科，等离子体物理学。两者同样需要等离子体，同样需要磁场约束，同样需要能量的注入和提取。所不同的是，一个在天然环境下，一个在人造环境下。

我们现在对等离子体的了解还不够充分，而天然环境下的很多实验条件，是实验室等离子体研究无法比拟的，比如超高的真空度、超大的空间和丰富的外界环境。出于这样的一些优点，地球磁层，成为了优秀的“等离子体野外实验场”。

磁场重联，磁能转化为等离子体的动能、热能等向地球传递（艺术想象图）

但是做实验，必然需要有观察员，需要有各种各样的先进的测试仪器，最好能亲临现场去看一看——这，就是MMS的任务目标，去现场观察地球磁层的各种现象。去到太阳风磁场、太阳风等离子体和地球磁场、地球磁层等离子体发生交互的现场去，看一看这些现象，到底是怎样发生，又是如何影响地球的。

MMS位于太阳风和地球磁场交互的位置

No.2

多种尺度

在MMS的名字里，将其描述为是磁层“多尺度”任务。什么是多尺度呢？这与其轨道设计有关。

MMS并非是一颗卫星，而是四颗卫星组成的。这四颗卫星相互伴飞，在太空中，组成一个四面体的金字塔形，四颗卫星分别占据金字塔的四个角。四颗卫星大约相距7.2km，是人类有史以来伴飞距离最近的卫星。所以我们将他们，称为一支向磁场的风暴中航行的船队。

MMS的四颗卫星呈四面体伴飞

MMS的轨道则是一个高椭圆轨道，近地点约2550km，远地点则有两类，在测量夜侧，也就是地球背阳面方向的磁场的时候，大约152,900km；而在测量日侧，也就是地球向阳面方向的磁场的时候，大约70,080km。这样的设计主要是因为地球磁场在日侧和夜侧的形状有很大的区别。在这两种轨道之间，MMS会视具体的测量需求情况，改变自己的轨道参数。

四颗MMS卫星的轨道示意图

依靠这样的轨道设计，MMS得以研究多种尺度的磁场结构。这主要是指这几个方面：

第一， 高椭圆轨道往返于靠近地球的磁层底部和远离地球的磁层顶部，跨越了多个地球半径尺度。

第二， 四颗卫星共同测量，得出关于大尺度磁场的精确信息，四颗卫星相互比较测量，得出在四颗卫星包围的四面体空间之内的磁场差异的小尺度信息。

第三， 既能通过历史积累数据，得出轨道上某一区域的长时间磁场变化，也能通过间隔数秒越过同一片区域的两颗乃至多颗不同探测器来检测瞬时的磁场波动。

MMS经过磁场重联区域，四颗探测器同时监测这一事件（艺术想象图）

为了要取得这样好的效果，就必须要精确确定MMS的四颗探测器的相对位置，为此，MMS携带了GPS定位系统。GPS系统大家都非常熟悉，不过通常大家都是在地球表面，或者顶多在飞机上使用它。

MMS就厉害了，他们在大多数情况下，轨道甚至比GPS卫星所在的高度还要高！

GPS卫星的发射天线，是对着地球的，可没办法照顾飞得比他们更高的MMS。但是MMS携带的GPS定位系统很强，可以使用GPS发射信号的旁瓣，通俗而不准确地来讲就是GPS天线旁边露出来的一点信号，来对自己进行定位。

MMS与GPS的位置关系示意图，月球作为参考

基于这种技术，MMS打破了吉尼斯世界纪录，成为了人类历史上海拔最高的，使用GPS定位进行高度校正的飞行器。而借助着精确的轨道设计和破纪录的GPS定位，MMS也成为了人类目前最精确的伴飞飞行器系统。

No.3

探索磁层

要揽瓷器活，金刚钻是少不了的。MMS既然受命探索磁层，那么相应的科学设备是不能少的。MMS每颗卫星的发射质量是1360kg，四颗卫星一次发射，然后在太空中分开，组成前文描述过的金字塔型结构。

已经装配到一起的四颗MMS探测器

MMS的每一颗探测器，都是一个大型的空间物理实验室。除去供电系统、航电系统、通讯系统等卫星自身必不可少的设备外，每颗卫星都携带了11套科学设备，共18个传感器。

MMS的主体结构

这11套科学设备可以分为四组，分别是：用于测量带电等离子体能量的热等离子体套件（Hot Plasma Suite）；用于观察快速移动的能量粒子的能量粒子探测套件（Energetic Particles Detector Suite）；用于观测电场、磁场和他们的波动的场测量套件（Field Suite）；以及用于综合控制前述三个套件的载荷控制器。

MMS的科学载荷。

卫星有两根短伸杆，两根长伸杆。短伸杆上主要安装的是磁通门磁强计（模拟型和数字型各一个，即AFG和DFG）和探测线圈磁强计（SCM）；长伸杆每一根长达12.5m，安装的是电场测量天线。电场和磁场很容易受到卫星本体的结构、电路的干扰，所以通行的做法就是把他们都安装在伸杆上。

而其余用于测量热等离子体的、以及各种不同能级的粒子探测器，则围成一圈，安装在仪器甲板上。

MMS的展示模型

MMS上的11套科学组件，每一个单独拿出来都需要用一篇论文去解释，各位读者有兴趣的话，可以去NASA的官网上浏览，一些基本的情况都是公开的。

No.4

五年的五大成就

MMS，之前已经说过，他们在天上飞了五年了。这五年，对人类认识磁层，起到了重要的推动作用，发表的论文也是不计其数。NASA对这五年的任务做了一个小结，汇总了五个主要的成就。

第一、验证了磁场重联机制

过去，人们对于磁场重联，主要停留在理论层面，以及一些计算机模拟等。这些理论已经有50多年的历史了，一直以来，都没有足够好的探测器，去监测到相应的现象。

磁场重联机制的示意图

MMS任务则验证了这些理论——物理学作为实验的科学，理论得到验证，是重要的环节。

第二、在一些以前没想过的地方，也发现了磁重联现象

过去，科学家们主要预计，磁重联应该发生在地球的后面，也就是背阳面，夜侧。但是，根据MMS的观测，在向阳面，那喧嚣浪涌的弓激波之中，也有磁重联。此外，在磁通量绳，一种扭曲的大尺度磁场结构里，也观察到磁场重联。

这一点是非常前沿的空间物理学内容，笔者在这里讲的，很可能是不对的。要想亲自验证这些理论和实验现象，欢迎报考我们所的空间物理专业呀~（又一次被领导拖走）。

第三、磁层等离子体中是如何输运能量的

得益于四颗卫星之间很近的距离，科学家得以从数据中分离出，空间中能量的轨迹。2017年，科学家捕捉到了一次能量输运事件，电子在磁重联发生时，在一个很薄的电子电流片中出现了非常复杂的运动，以此，揭示了一些能量输运的机制。

物体的运动变化，一定伴随着能量的转移，而复杂的运动，也就蕴含了复杂的能量输运。

第四、推动了计算机模拟技术

道理很简单，以前我们通过计算机，根据现有的理论去模拟磁层内的变化，包括磁重联。但是得不到验证，我们虽然可以给出一定程度上自洽的结论，但是确实也不知道对不对。这些实地测量的数据，毫无疑问会加深我们对于计算机模拟的理解，推动改进和创新。

对于磁场重联的一种二维模拟。

现有的技术手段并不足以用像MMS这样的卫星，铺满整个天空，监测磁场的每个角落，因此模拟依旧是，并在很长的时间里都会是非常重要的理论验证和研究的手段。

第五、加深了对天体物理和原子物理的理解

MMS任务最开始的计划寿命是两年，如今，已经完好地工作了5年了。得益于谨慎的轨道调整，MMS很可能在太空中继续工作20年。从这个角度来说，基于MMS数据的科学研究，才刚刚开了一个头。如今，其数据已经至少被用在了580篇学术论文，促成了14位博士，10位硕士的学术论文，引导了数不清的人，进入科学，进入空间物理学。

我们期待MMS能够给人类的科学事业，带来更多、更好的发现，也同样期望，更多的科学任务，包括中国的科学卫星，能够照亮人类前进的道路，引导人类在知识和真理的海洋中遨游！