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北京大学和山东大学联合发现太阳风入侵地球新窗口

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  地球磁层是保护我们地球家园的最外层屏障,使地球上的生命免于遭受太阳风带电粒子的轰击。但是一部分太阳风粒子仍可通过各种“窗口”入侵地球磁层。一些已探明的窗口主要发生于地球磁场活动较为活跃的时期,而在地球磁场活动相对平静的时候,这种窗口在何处,以何种方式开放,一直悬而未决。近日,由山东大学空间科学研究院史全岐教授和北京大学地球与空间科学学院宗秋刚教授联合领导的中欧美国际研究团队,利用多个航天器的联合观测数据,发现了太阳风入侵地球的新窗口,并论证了其打开的方式。2月12日,此项研究成果在线发表于英国科学期刊《自然-通讯》(Nature
Communications)。

阳发出了剧烈的行星际激波,震动了太阳系。美国宇航局首次观测到了这些巨大的冲击,并且今日发布了首个关于太阳行星际激波的视频。

行星的内禀磁场延伸至行星临近空间,影响周围的等离子体环境形成磁层,保护行星免受来自太阳的粒子——太阳风的干扰。当磁层与剧烈变化的太阳风相互作用,例如太阳耀斑爆发时,磁层顶部的磁力线会与太阳风携带的磁力线重联(点击观看NASA的磁重联动画)。磁重联过程可以改变磁场的拓扑形态,释放磁场能量,使得等离子体能量急剧升高,并产生高速的粒子喷流,从而使行星磁层变得不稳定,触发磁层亚暴以及磁暴,导致极光等现象的爆发。在地球上,这一过程会影响人造卫星的正常运转,对其造成损害,严重的磁暴甚至可以直接使得地面的电力输运系统瘫痪。

  太阳不仅照亮了太阳系,还时时刻刻都在朝四面八方喷出高速运动的带电粒子。这些名为“太阳风”的等离子体物质流携带着巨大的能量冲击着行星大气层,试图通过多种途径入侵行星。太阳系中有六颗行星具有全球性的磁场,地球是其中之一。这种全球性磁场可以有效的阻挡和偏转大多数来自太阳大气的太阳风带电粒子,并防止这些带电粒子与行星大气层发生直接的相互作用。在近地空间由地球磁场所控制的区域被称为磁层,它是使地球生命得以保护以及空间飞行器免受损伤的最重要屏障之一。但磁层仍对小部分的太阳风带电粒子开放窗口,允许其进入磁层,在一定的条件下,这些粒子可以有效的得到加速,参与到磁层、电离层和高层大气中的许多物理过程,如:磁暴、磁层亚暴、极光和其他的空间天气效应,这些空间天气效应将给卫星、通信网络、电力设施和航天系统造成很大的危害,甚至威胁宇航员的健康。因此,研究太阳风等离子体如何进入地球磁层是空间物理和空间天气领域中最重要的课题之一。

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磁重联是太阳风和行星磁层顶磁场相联并交换物质的关键过程,同时也是磁层内部磁能释放的重要机制。在面向太阳一侧,磁层受到太阳风的冲击,粒子和能量主要通过磁层顶磁重联进入磁层,但磁层顶以外的日侧磁层区域内的磁场形态无法满足磁重联的触发条件。在磁层内,磁重联只能够发生在背向太阳一侧的磁尾,磁尾是地球磁层剧烈活动的始发地。

  太阳风本身携带着源于太阳的磁场,称作行星际磁场,它是控制太阳风粒子进入量的一个重要开关。当行星际磁场呈南向时,一般认为太阳风等离子体可以通过磁场重联过程进入了低纬区域。尽管之前有研究表明在行星际磁场北向期间(在此期间地球磁场一般是较为平静的),可能会有更多的等离子体进入磁层形成了相对厚的低纬边界层和更加稠密的等离子体片,但在这些条件下太阳风进入磁层的主要机制(以及穿越磁层顶的位置等问题)并不清楚,存在较多争议,仍无定论。

视频显示粒子远离太阳。这种运动可能是由快速的太阳风流超过较慢的风流造成的。可以看到带电粒子从太阳一侧疾驰而出,产生的冲击然后扩散到太阳系中,就像一艘船在河海中行驶产生的冲击波一样。

一直以来,科学家们认为其他具有内禀磁场的行星的磁层动力学过程与地球的很相近。但是,中国科学院地质与地球物理研究所地球与行星物理重点实验室博士后郭瑞龙及合作导师魏勇与客座学者尧中华主导的国际科研小组在研究卡西尼号飞船2008年的探测数据时,首次发现磁重联可以发生在日侧土星磁层内且远离磁层顶的区域,同时卡西尼号还记录到了被磁重联过程加速的高能氧离子以及准周期性高能电子增强事件。

  利用Cluster卫星数据,科学家们在地球磁层高纬区域发现了新的且意想不到的太阳风进入区域(如图所示),位于地磁活动平静期间极隙区尾向的尾瓣区域。这些太阳风粒子注入磁层的可能机制最有可能由高纬磁层顶发生的磁重联产生。
不同于前人的观点,
这项研究发现太阳风粒子的进入区直接出现在背阳面高纬,这为研究太阳风如何进入地球磁层提供了新的思路,结果还表明这一新窗口可能主导了太阳风进入地球磁层的过程。

视频第2秒开始,您可以观察到太阳发出的强烈冲击波,相比整个太阳的大小,可观察到冲击波的高度,强度相当大。

地球上的磁重联主要由太阳风驱动,磁层内主要为氢离子,而巨行星(如木星和本次研究的土星)的磁层内部的磁重联受自身快速自转的驱动,它们的磁层巨大且转动很快,自转频率是地球的两倍多,且磁层内都有天然卫星,会喷发二氧化硫或水,为磁层源源不断地提供硫、氧等重离子。高速旋转产生的离心力使得重离子束缚在赤道平面附近,形成一个类似唱片的磁盘结构。最终,离心力不稳定性等非线性过程会在磁盘内触发磁重联。

  该研究工作得到了国家自然科学基金(资助号41031065, 41074106)的资助。

这段令人难以置信的视频是由美国宇航局的磁层多尺度任务拍摄的,并且在推特上发布,文中写道:“令人震惊!
我们的磁层多尺度探测任务使用特殊仪器来观测其他航天器无法观测到的东西,首次对由太阳发射的粒子和电磁波构成的行星际激波进行了高分辨率测量”。当这种冲击波击中地球磁场时候,就会引起磁场重连效应。

该研究工作发现了日侧磁盘内的磁重联事件,为理解巨行星日侧的能量爆发事件提供了新的窗口。磁重联事件能够向巨行星的极区电离层释放大量能量,同时在磁层内产生高于500keV的高能氧离子,这一系列物理过程是巨行星的极光亮斑以及X射线辐射重要的潜在产生机制。同时,日侧磁重联还为土星磁层内水与氧离子的逃逸及行星际内物质交换提供了新的途径。

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以往科学家一直认为巨行星的磁重联也只能发生在磁层夜侧的磁尾,在日侧因为会受到太阳风的抑制而很难发生,而此次观测到发生在日侧磁层内的磁重联,直接证实了巨行星的快速自转能够克服来自太阳风的抑制效应,这颠覆了此前对巨行星磁层的认知。据推测,日侧磁重联现象也可能发生在天王星、海王星,以及快速自转的系外行星上。

NASA的磁层多尺度任务由四个自2015年以来一直在地球轨道上运行的航天器组成,它们穿越地球的磁层,研究一种被称为磁重联的现象。这种现象只发生在等离子体中,等离子体包括电离气体,这种气体在宇宙的大部分地方都能找到,并且存在磁场。有时当磁场线在等离子体中相互靠近时,这些线可以重新配置成一种新的形式,并释放出能量。

研究成果发表于《自然-天文学》(Guo R L, Yao Z H, Wei Y, et al.
Rotationally driven magnetic reconnection in Saturn’s dayside[J].
Nature Astronomy, 2018. DOI: 10.1038/s41550-018-0461-9)。

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论文链接

NASA对此次的拍摄解释说,行星间的冲击是一种没有碰撞的冲击,粒子通过电磁场传递能量,而不是直接相互碰撞。这些无碰撞冲击是宇宙中普遍存在的现象,包括发生在超新星、黑洞和遥远的恒星上。

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由于热量和动能从原点向外爆炸,磁重联产生的能量可能非常大。但科学家仍不确定是什么触发了磁场重联事件。MMS的目的是近距离观察地球磁场,以便更多地了解重新连接发生的地点以及发生在整个宇宙的无碰撞冲击。

图1 卡西尼号飞船在土星日侧磁层内部观测到磁重联过程

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另外美国宇航局补充说,由于轨道和仪器的时间选择,MMS只能在适当的地方看到行星间的冲击,大约一周只能拍摄一次,但科学家相信他们会发现更多行星际激波。

图2 磁盘内磁重联过程产生的高能粒子进入土星极区激发极光亮斑

幸运的是,MMS在这次太阳爆炸发生时捕捉到了一个冲击波,通常只有在这四艘飞船彼此需要靠得很近才能准确探测到,而且冲击波在半秒内就会从飞船身边呼啸而过。MMS配置有一种叫做“快速等离子体研究”的仪器,每秒可以测量6次,所以它能够捕捉到冲击波的发生。今年1月8日,MMS探测到太阳风连续快速地释放出两团离子,表明第一团离子来自一次冲击,而第二团离子来自冲击后发生的反弹。

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MMS科学家们在观察到这次强烈的行星际激波后,希望能够发现那些更为罕见且不太了解的更弱的冲击波。发现一个较弱的冲击波事件可能有助于建立一个新的激波物理学体系。

根据美国宇航局的说法,太阳的膨胀是由于核心氦的快速燃烧造成的,这导致了恒星表层的膨胀。随着恒星的膨胀,恒星周围的可居住区域会缩小,使得生命更难生存。自45亿年前太阳形成以来,这种膨胀过程就一直在进行。幸运的是,在过去的40亿年里,太阳最多只膨胀了20%。

就像宇宙中的其他恒星一样,太阳最终也会耗尽燃料燃烧并死亡。当这颗恒星接近其最后的日子,它将开始膨胀成一个红巨星,并吞噬水星、金星,甚至地球。在那之后,太阳将会收缩成一个令人难以置信的炽热而稠密的核心,被称为白矮星。值得庆幸的是,NASA预计这种情况不会在未来60到65亿年内发生。

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