地球磁场外的能量是如何消散的

天文学家揭示了地球磁场外能量是如何消散的

在这幅图中,当超音速太阳风(黄色薄雾)绕着地球磁场(蓝色波浪线)流动时,它形成了一个高度湍流的边界层,称为“磁鞘”(黄色漩涡区)。一篇新的研究论文描述了对磁鞘内小规模磁重联的观察,揭示了太阳外层和宇宙其他地方加热的重要线索。美国航空航天局/戈达德宇航中心

地球磁场提供了一个看不见但至关重要的屏障,保护地球免受太阳风的影响。太阳风是由太阳外层发射的带电粒子流。磁场的保护特性可能会由于一个被称为磁重连的过程而失效,当两条相反方向的磁力线断开并重新连接时,会消耗大量的能量并加速粒子,从而威胁空中交通和卫星通信系统。

就在地球磁场之外,太阳风对电子和电离气体的猛烈冲击,造成了被称为磁鞘的磁能的混乱漩涡。虽然磁重连在靠近地球的地方已经有了很好的记录,但物理学家们已经试图确定在这一湍流地带是否也发生了磁重连。

马里兰大学物理学教授詹姆斯·德雷克(James Drake)与人合著的一篇新研究论文认为,这个问题的答案是肯定的。这些观测结果发表在2018年5月10日的《自然》(Nature)杂志上,提供了在湍流磁鞘中发生在非常小的空间尺度上的磁重连的第一个证据。然而,与与地球磁场发生的重连接不同,它涉及电子和离子,而磁鞘中的湍流重连接只涉及电子。

“我们知道,在搅动、紊流系统中,磁能级联到越来越小的尺度。在某一点能量完全消散。最大的问题是,这是如何发生的,以及磁重联在如此小的范围内扮演什么角色,”德雷克说。“这项研究表明,重新连接确实可以在电子尺度上发生,完全不涉及离子,这表明重新连接可能有助于在非常小的尺度上消散磁能。”

通过绘制出一幅更清晰的磁重联物理图,这一发现有望促进科学家对太阳物理学中几个未决问题的理解。例如,电子尺度的磁重连可能在日冕的加热中发挥作用——日冕是包围太阳的带电粒子膨胀层,其温度比太阳可见表面高出数百倍。这反过来有助于解释太阳风的物理现象,以及太空中其他地方的紊流磁系统的性质。

美国国家航空航天局美国的磁层多尺度(MMS)任务收集了用于分析的数据。以金字塔的形式飞行,四个相同的航天器之间只有4.5英里的距离,MMS每30毫秒对金字塔内的电子进行一次成像。这些高度精确的测量使研究人员能够捕捉到紊流,纯电子磁重联,这是一种以前没有观察到的现象。

“MMS发现了电子磁重连,这是一个新过程,与地球周围较平静地区发生的标准磁重连有很大不同,”太空科学实验室的高级研究员Tai Phan说加州大学伯克利分校也是这篇论文的主要作者。“这一发现帮助科学家理解了混乱的磁场是如何在整个宇宙中消散能量的。”

由于紊流重连只涉及电子,科学家们一直在寻找标准磁重连的标志性特征:离子喷流。与标准的重连接相比,紊流重连接会从重连接点喷射出数万英里宽的离子流,而湍流重连接会喷射出只有几英里宽的窄电子流。

但MMS的科学家们能够利用快速等离子体调查仪的设计,创造一种技术,使他们能够读取字里行间并收集额外的数据点来解决喷流。

“论文的关键事件发生在45毫秒内。这将是常规数据的一个数据点,”华盛顿特区美国天主教大学的研究生艾米·雷杰(Amy Rager)说。她在美国宇航局戈达德太空飞行中心(Goddard Space Flight Center)工作,开发这项技术。“但相反,我们可以用这种方法在该地区获得6到7个数据点,让我们了解正在发生什么。”

有了这种新方法,MMS的科学家们希望他们能够梳理现有的数据集,发现更多这样的事件和其他意想不到的发现。

德雷克说:“数据中有一些令人惊讶的地方。”“当两个方向相反的磁场相互湮灭时,就会发生磁重连。在这种情况下,一个大的环境磁场在湮灭发生后仍然存在。老实说,我们很惊讶,在这种背景磁场存在的情况下,会发生非常小尺度的湍流重连。”

磁重连在宇宙中都有发生,所以科学家在地球附近了解到的任何情况都可以应用到其他现象上。例如,紊流电子重联的发现可能有助于科学家理解磁重联在加热令人费解的日冕(太阳的外层大气)和加速超音速太阳风中所起的作用。NASA即将进行的帕克太阳探测任务将于2018年夏天直接前往太阳,以研究这些问题,并对近地磁场重联有了新的理解。

发表:T. D. Phan等,“地球湍流磁鞘中没有离子耦合的电子磁重连”,《自然》,第557卷,第202-206页(2018)doi: 10.1038 / s41586 - 018 - 0091 - 5

1评论关于“在地球磁场外能量是如何消散的”

  1. 这既有趣又有信息。谢谢你的研究。

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