大气-空间相互作用监视器ASIM是将安装在国际空间站（ISS）哥伦布舱的ESA载荷。ASIM针对上层大气的发光现象，即所谓的瞬态发光事件TLEs和地面伽玛闪光TGFs的观察和监测，进行了优化。近二十年来TLEs和TGFs都有发现，并且这两种现象都为大气高能现象开辟了新的研究领域。

1.      引言

近几十年来，闪电和强雷暴发光现象越来越多。 一方面，瞬态发光事件TLEs（Transient Luminous Events）是在平流层和中层大气产生的发光现象。随着高速相机的出现（能够每秒几十帧），进一步推进了TLEs研究。最近，利用非常高速的相机（每秒数千帧），已很好刻画了这些现象的演化和精细结构。另一方面，地面γ射线闪光TGFs（Terrestrial GammaRay Flashes）是被轨道天体物理任务发现的非常亮的高能大气发射（x射线和γ射线）。根据外观，TLEs主要分为Blue Jets、Red Sprites或Elves。Blue Jets和Red Sprites与闪电直接相关，并且源于大气击穿，而Elves则由约90公里处产生电离的电磁脉冲产生，Elves的典型寿命大约为1毫秒。Red sprites在中层大气（55-80公里）生成，持续数毫秒至数十毫秒。Blue jets是从云顶向上传播约37公里的光线，速度约100千米/秒，持续时间为数十秒。这些现象如图1所示。

图1 闪电现象相关的TLEs示意图

TGFs由BATSE小组首先报告的发现是由Fishman等（1994）发表的。TGFs是大气中产生γ射线辐射的明亮爆发，可以由太空科学仪器观测。TGFs被认为是由雷电顶部电场加速能量逃逸电子的轫致辐射产生的，可能与大气宇宙射线产生的电子雪崩，或者宇宙射线电子雪崩和闪电放电的组合有关。TGFs通常持续数百微秒，并且已经观测了40KeV到80MeV。

几个高能天体物理任务，除了BATSE，已经检测到TGFs：RHESSI（旨在观测太阳的高能辐射），FERMI和AGILE（均致力于观测宇宙伽马射线暴）。FERMI团队甚至对地球大气层进行了专门观测，并设计了专门软件和数据分析技术，以表征TGF辐射。AGILE在400 keV-30 MeV能量范围的TGF探测和表征特别有效，其团队已经在线发布了TGFs目录。

这个大气物理学的新领域已经得到大气物理学家和高能天体物理学家越来越多的关注，并被空间研究机构认为是了解云形成、强雷暴和闪电、以及气候变化相关大气现象的工具。 紧跟这一新科学研究领域， ASIM被认为是专门用于观测和分析TGFs和TLEs的第一批空间任务之一。ASIM是由西班牙、丹麦、挪威、法国、意大利和波兰贡献的ESA任务。

2.       ASIM任务

ASIM是具有成像和光谱能力的监测任务，目标是定位TGFs和TLEs，并提供经验数据，将有助于了解这些现象的本质及其之间可能的联系。虽然已知TLE在强雷暴中与闪电相关，但TGF与两者之间的关系至今只是一个假设。有一些迹象表明TGFs和闪电之间的关系，但缺乏明确认识。

ASIM将安装于国际空间站Columbus舱外暴露设施CEPF最低点，从大约400公里的国际空间站连续监测地球大气。根据瞬态光探测器OTD（Optical Transient Detector）和闪电成像探测器LIS（Lightning Imaging Sensor）数据估算，在全球范围内，每秒有大约40个闪电，与大气NOx分子的化学变化有关（对臭氧层产生有决定性）。因此，对闪电和相关现象进行的观测和监测已引起科学界的极大兴趣。ASIM也将解决这一问题，并首次提供与强雷暴相关现象严格同步的光学和高能数据。

ASIM的科学目标将着重于理解TLEs和TGFs背后的物理学原理，更深入地了解与闪电的相关性，理解对大气过程的影响，以及与气候决定性因素的可能联系。高空云形成、云带电、NOx产生、流星、极光等相关其他科学也将在任务研究范围内。

3.      ASIM 仪器

ASIM载荷包括两个主要仪器：模块化X射线与伽马射线传感器MXGS（Modular X and Gamma-ray Sensor）和模块化多光谱成像阵列MMIA（Modular Multi-spectral Imaging Array）。图2显示了哥伦布舱外载荷适配器CEPA上安装仪器的位置。

图2 CEPA中MXGS和MMIA仪器示意图

MXGS是有两个检测器层的编码掩模成像仪器：一个具有成像能力低能探测器LED，工作能量范围在15-400 keV，另一个高能探测器HED对更高能量的光子敏感（200keV-20MeV），但没有成像能力。最佳能量分辨率（LED在60 keV为10%，HED在66 keV为15％）、良好的角位置精度（点源为0.7◦，展源为2◦）、时间分辨率低于5μs，这些特性使MXGS成为定位TGFs的理想仪器，并根据持续时间、光曲线的形状及其光谱行为来表征其辐射。MXGS将具有80°×80°的视场，零响应为147°×147°，即从ISS看到地球圆盘的大小。表1总结了MXGS的性能，图3描绘了MXGS模型示意图。

表1 MXGS性能总结

^* 在零响应147°×147°

图3 MXGS设备示意图

MXGS可能是第一个误差在约15公里半径以内定位TGFs的仪器，首次解决了与闪电活动相关的TGF关联中的模糊性。 MXGS还将在非常宽的能量范围（从15keV到20MeV）首次观测TGF光谱。MXGS也是第一款专门用于观测高能大气现象的掩模成像仪器。

MMIA将由3个光度计和2台成像相机组成，3个光度计将在337 nm、180-230 nm和777.4 nm波长范围工作，相机经过优化在337 nm和777.4 nm波长工作最佳，完全覆盖近紫外到近红外。相机的时间分辨率为83 ms，光度计为0.01~0.1 s。相机的空间分辨率在0.4到0.5公里之间，光度计和相机具有相同视场，即61.4°。 MMIA将为强雷暴光辐射（与高能量辐射相反）提供非常宝贵的数据。表2总结了MMIA能力，图4描绘了仪器模型。

图4 MMIA仪器示意图

MXGS和MMIA将在其触发模式下协同工作，并能将其触发信息发送给对方。图5描绘了仪器能力及其互连交叉触发系统的示意图。它们将提供与雷暴活动相关发光辐射的首次严格同步观测。

图5 MMIA和MXGS配置示意图，描述仪器功能和互连交叉触发

4.      总结

ASIM将帮助科学界解决与TLE和TGF形成有关的一些问题，这也是大气物理学最近的一个新兴研究领域，被称为高能大气物理学。其仪器性能和波长覆盖能力将高精度定位TGFs，并解答与TLEs、雷暴和闪电相关的问题。

文献来源: 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.