NASA的MMS揭示了电子在太空中表现出的新型运动

美国国家航空航天局该公司的磁层多尺度任务揭示了一种奇异的新型运动,这种运动由高能电子表现出来,可以破坏轨道上的卫星并引发极光。


由于没有引导场来限制它们,电子(黄色)来回摆动。电子的增长速度可以通过变暖的颜色轨迹来表现出来。

你看不见它们,但成群的电子嗡嗡地穿过地球周围的磁层。在磁场和电场的支配下,电子绕着地球旋转和俯冲,形成一种复杂的舞蹈。当它们穿透到距离地球足够近的磁层时,高能电子会破坏轨道上的卫星并引发极光。NASA的磁层多尺度(MMS)任务的科学家们研究电子的动力学,以更好地了解它们的行为。一项新的研究中,发表在地球物理研究杂志上发现了这些电子所表现出的一种奇异的新型运动。

在强磁场中,电子通常表现出一种简单的行为:它们沿磁场旋转成螺旋状。在磁场方向相反的弱磁场区域,电子以自由的方式运动——来回弹跳和摆动,这种运动被称为Speiser运动。新的MMS结果首次揭示了在中等强度场中会发生什么。然后,这些电子就会跳起一种混合的、蜿蜒的运动——在被逐出该区域之前,它们会盘旋并反弹。这种运动带走了磁场的一些能量,它在磁重连中起着关键作用。磁重连是一个动态过程,可以爆炸性地释放大量储存的磁场能量。

“MMS向我们展示了发生在那里的磁重连的迷人现实,”这项研究的主要作者、马里兰州美国宇航局戈达德太空飞行中心磁层多尺度任务科学家陈丽珍说。

当MMS环绕地球飞行时,它经过了一个中等强度磁场区域,那里的电流与磁场方向相同。这样的区域被称为中间导场。在这个区域内,仪器记录下了电子与电流薄片(电流流过的薄层)的奇怪相互作用。当进入的粒子遇到该区域时,它们开始沿着导向场以螺旋状旋转,就像它们在强磁场中所做的那样,只不过是以更大的螺旋状旋转。MMS观测也发现了粒子从电场中获得能量的迹象。不久,加速的粒子脱离了电流片,形成高速射流。在这个过程中,它们带走了磁场的一些能量,使其逐渐减弱。


在中等强度的磁场中,电子沿着磁场螺旋运动,获得能量,直到它们被重连层喷射出来。

观察到的电子运动的磁场环境是由磁场重连产生的,这种重连使得电流片被捆绑在一起的磁场紧紧地束缚着。新结果有助于科学家更好地理解电子在重连中的作用以及磁场是如何失去能量的。

NASA的磁层多尺度任务测量了它飞过的电场和磁场,并对电子和离子进行计数,以测量它们的能量和运动方向。MMS用四艘飞船以紧凑的金字塔形式飞行,能够看到三维的场和粒子,并观察小尺度粒子动力学,这是以前从未实现过的。

“MMS的时间分辨率比以前的任务快100倍,”NASA戈达德太空飞行中心MMS高级项目科学家汤姆·摩尔说。“这意味着我们终于可以看到在如此狭窄的岩层中发生了什么,并将能够更好地预测在各种情况下重连发生的速度。”

了解重连的速度对于预测爆炸能量释放的强度至关重要。重连是宇宙中一个重要的能量释放过程,被认为是产生一些冲击波和宇宙射线的原因。太阳耀斑也可以引发太空天气,这也是由磁场重连引起的。

经过两年的探测,磁层多尺度任务揭示了地球附近新的令人惊讶的现象。这些发现使我们能够更好地了解地球动态的空间环境,以及它如何影响我们的卫星和技术。

MMS现在正朝着一个新的轨道前进,这将使它穿过离太阳较远的地球一侧的磁场重联区。在这个区域,引导场通常较弱,所以MMS可能会看到更多这类电子动力学。

出版:L.-J。Chen, et al.,“磁层顶重连接过程中的电子扩散区域:磁层多尺度观测”,JGR, 2017;ja024004 DOI: 10.1002/2017

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