當太陽風吹過地球磁層 竟然形成了靜止不動的表面波

業界 | 2021-10-29 15:16:28
時間:2021-10-29 15:16:28   /   來源: 科技日報      /   點擊數:()

任何超音速的流體碰到障礙物時,都會形成沖擊波;而超音速的太陽風撞擊地球磁層時,會在磁層邊緣外形成沖擊波,太陽風由此減速成亞音速。特定情形下,這些亞音速的太陽風會變成湍流,這些隨機無序的湍流就是襲擊磁層、并產生靜止不動表面波的“不速之客”。

走在小溪邊,我們常常會看見沖擊石頭的水流,會在沖擊后從石頭的兩側繞流。實際上,當太陽風撞擊地球磁層時,產生的表面波也是沿著兩者之間的邊界隨太陽風一起向后傳遞,并在邊界上產生漣漪。

日前,一項發表在《自然·通訊》上的最新研究表明,有些“波浪”恰恰相反:來自太陽風的能量與地球周圍的磁層“氣泡”相互作用,產生了似乎靜止不動的表面波。這些波與隨太陽風傳播的波相比持續時間更長,這就意味著它們有更長的時間去加速空間中的帶電粒子,從而有可能會對地球輻射帶、極光、電離層等區域產生潛在的影響。

太陽風與地球磁層之間究竟是怎樣“互動”的?科學家又是如何發現這些靜止不動的波的?它們真的會對地球造成影響嗎?

“不速之客”撞出靜止不動的表面波

我們知道,太陽是一個溫度很高的大氣團,它的主要組成元素是氫和氦。而太陽噴射出的帶電粒子,被形象地稱為太陽風。

“我們所在的地球,有一個‘保護罩’,就是磁層。它能阻擋太陽風對地球的沖擊,如果沒有磁層的話,太陽風這種高溫氣體可以直接到達地球表面,對地球造成不小的傷害。”西南交通大學物理科學與技術學院粒子天體物理團隊負責人劉四明教授介紹道。

劉四明表示,其實,大家可以想象地球的中間有一塊非常大的磁鐵,它有南北兩極,磁鐵的磁場在地球附近空間形成磁層。要知道,太陽風時時刻刻都在和地球磁層碰撞,如果太陽風是中性的,磁層是無法擋住這些高速高溫的粒子的;但實際上,太陽風中的絕大部分粒子都帶有電荷,因此磁層就把這些太陽風里的帶電粒子都擋在了地球外面。

對于太陽風和磁層的相互作用,中國科學院國家空間科學中心副研究員李文亞作了個形象的比喻:地球磁層就像是一條大船,航行在超音速的太陽風里。一般情形下,太陽風與地球磁層“相遇”,會在磁層的邊緣產生表面波,猶如船行駛時兩側的波紋,這些表面波會隨太陽風往磁層的尾側傳播。

而在此次最新研究中,英國倫敦帝國學院空間物理學家馬丁·阿徹及其團隊發現,當太陽風脈沖襲擊磁層時,形成的波不僅在地球兩個磁極間“彈跳”,還逆向太陽風的方向傳播,脈沖襲擊處的波似乎是靜止的。

對此,李文亞解釋說,當船在水中航行時,這些波光粼粼的漣漪肯定是往船尾傳播的。“此次研究指的是,突然有個‘不速之客’撞了船一下,形成一個大窟窿,對于船而言,這個窟窿就像是‘靜止’在那。”

那么,這個“不速之客”到底是誰?實際上,任何超音速的流體碰到障礙物時,都會形成沖擊波;而超音速的太陽風撞擊地球磁層時,會在磁層邊緣外形成沖擊波,太陽風由此減速成亞音速。特定情形下,這些亞音速的太陽風會變成湍流,這些隨機無序的湍流就是襲擊磁層、并產生靜止不動表面波的“不速之客”。

利用模型模擬磁層和太陽風的相互作用

那么,科學家是如何發現這些靜止不動的波的?“研究團隊根據數值模擬手段,建立了磁流體模型,基于相關的物理知識和對磁場以及太陽風的理解,用計算機模擬了太陽風和磁層的相互作用。”劉四明說。

據介紹,地球空間由于時變、多成分、多自由度的關聯相互作用,使得傳統的理論分析變得非常困難。作為近幾十年發展起來的一個新的研究手段,數值模擬對地球空間理論和應用研究產生了深刻的影響。隨著計算能力的不斷提升,數值模擬手段不斷擴大研究和應用的范圍,極大縮短了研究和應用的周期。

“數值模擬有助于加深對觀測現象的認識,開拓對探測區域以外空間的了解。任何探測衛星和地基設備所探測的區域相對于廣袤的地球空間而言都是非常有限的,如何利用有限的區域數據來了解整個空間全貌?建立在基本物理過程基礎上的空間模型是不可或缺的工具。”劉四明表示,模型具有真正意義的可檢驗性,可與觀察數據直接比較,并為局地模型提供宏觀啟示。

在該研究中,研究人員就是考慮了在整個磁層表面形成的波,利用基于美國國家航空航天局(NASA)空間探測衛星的觀測數據創建模型,發現當太陽風脈沖擊中磁層時,形成的波在地球兩個磁極之間來回“彈跳”,并形成逆向太陽風方向移動的波,研究人員還利用模型解釋了來自太陽風的能量和磁層產生的波浪是如何相互抵消的。

在劉四明看來,研究論文之所以能夠認證這種波的存在,實際上依賴于三個方面。一方面是由多顆衛星在不同地方的同時觀測,另外一方面就是通過相關理論模型來模擬磁層和太陽風的相互作用,最后結合相關的理論分析,理解這些模擬結果和觀測結果。“研究人員正是把這三方面結合之后,才能夠確認衛星探測到的一些信號確實是來自于太陽風和磁層正對面的一個比較穩定的點。”他說。

“加熱”后的帶電粒子或會損傷航天器

如果這些靜止不動的波真的存在,它真的有可能會對地球輻射帶、極光、電離層等區域產生潛在的影響嗎?

“日常生活中,我們拿微波爐加熱食物,設定的時間越長,食物也就越熱。同理,靜止的表面波也會對周圍的帶電粒子持續、高效地加熱。”李文亞解釋說,如果這些波確實存在,對于研究地球附近空間有重要的價值,因為“加熱”后的帶電粒子會對在軌的各類航天器造成一定的危害。

此外,研究人員認為這些波也可能產生于宇宙的其他地方。對此,李文亞認為這是有可能的,但如果要了解波的形成、發展和它后續的影響,地球空間是最好的“試驗田”,因為圍繞著地球空間環境的探測器非常多,發射運行成本也相對較低。

當前,中國科學院與歐洲航天局聯合研制中的“微笑”衛星,創新性地利用太陽風與磁層碰撞產生的X射線,對磁層“拍照”。借此,我們將有望首次看到磁層邊緣的復雜波動。

李迪 陳科

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