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中國學者發現太陽風入侵地球高緯窗口
發布時間:2014/4/14 11:31:03   瀏覽次數:2611次 
    地球磁層是保護我們家園的最外層屏障,使地球上的生命免于遭受太陽風帶電粒子的轟擊。但是一小部分太陽風粒子仍可通過各種“窗口”入侵地球磁層。一些已探明的窗口主要發生于地球磁場活動較為活躍的時期,而在地球磁場活動相對平靜的時候,這種窗口在何處,以何種方式開放,一直懸而未決。最近,一個由山東大學空間科學研究院和北京大學地球與空間科學學院的研究人員為主導的中歐美國際合作團隊巧妙地利用多個航天器的聯合觀測數據,鎖定了這個窗口在高緯的位置,并以精細的計算機模擬和嚴密的邏輯論證解釋了其打開的方式。
 
    太陽不僅照亮了太陽系,還時時刻刻都在朝四面八方噴出以氫原子為主的等離子體。這些名為“太陽風”的高速等離子體流攜帶著巨大的能量沖擊著行星大氣層,試圖通過多種途徑入侵行星。太陽系中有六顆行星具有全球性的磁場,地球是其中之一。這種全球性磁場可以有效的阻擋和偏轉大多數來自太陽大氣的太陽風帶電粒子,并防止這些帶電粒子與行星大氣層發生直接的相互作用。在近地空間由地球磁場所控制的區域被稱為磁層,它是使地球生命得以保護以及空間飛行器免受損傷的最重要屏障之一。但磁層仍對小部分的太陽風帶電粒子開放窗口,允許其進入磁層,在一定的條件下,這些粒子可以有效的得到加速,參與到磁層、電離層和高層大氣中的許多物理過程,如:磁暴、磁層亞暴、極光和其他的空間天氣效應,這些空間天氣效應將給衛星、通信網絡、電力設施和航天系統造成很大的危害,甚至威脅宇航員的健康。因此,研究太陽風等離子體如何進入地球磁層是空間物理和空間天氣領域中最重要的課題之一。
 
    太陽風本身攜帶著源于太陽的磁場,稱作行星際磁場,它是控制太陽風粒子進入量的一個重要開關。當行星際磁場呈南向時,一般認為太陽風等離子體可以通過磁場重聯過程進入了低緯區域。盡管之前有研究表明在行星際磁場北向期間(在此期間地球磁場一般是較為平靜的),可能會有更多的等離子體進入磁層形成了相對厚的低緯邊界層和更加稠密的等離子體片,但在這些條件下太陽風進入磁層的主要機制(以及穿越磁層頂的位置等問題)并不清楚,仍存在較多爭議。對于進入磁層的太陽風等離子體是否是由于高緯磁重聯、脈沖穿透,抑或來自低緯發生的不穩定性或者梯度漂移形成,現在仍無定論。
 
    此外,人們對于中高度磁層極尖區之后的高緯極尖區的性質了解甚少,部分原因是由于缺乏覆蓋此區域的空間探測任務。人們已經知道的是,磁層的尾瓣(lobe)占據了高緯區域的磁尾大部分體積,是儲存磁能的區域,包括來自電離層的稀薄的低能離子。雖然以前的觀測和數值模擬已經推斷其中的等離子體可能來自于磁層以外的區域,如磁鞘中被壓縮的太陽風可能會進入高緯尾瓣區域,但幾乎沒有關于這些等離子體進入的直接觀測,部分原因是這些區域缺乏局地的探測,這很大的限制了我們認知這個區域的能力。而具備四顆衛星的歐空局Cluster項目具有獨特的優勢,它既有覆蓋這個區域的軌道,又有一套前所未有的多點衛星探測系統。利用Cluster衛星數據,科學家們在地球磁層高緯區域發現了幾個新的且意想不到的太陽風進入區域,即如圖所示,位于地磁活動平靜期間極尖區尾向的尾瓣區域。通過多個觀測證據以及全球的磁流體力學(MHD)的數值模擬,科學家們討論了幾種太陽風粒子注入磁層的可能機制,最后認定這些區域最有可能由高緯磁層頂發生的磁重聯產生。研究還發現,在地磁活動平靜期間,這些區域的出現率足夠的高,說明它們可能主導了等離子體進入地球磁層的過程。
 
    該項發現可能促使人們重新思考太陽與地球生物圈演化的關系。當前大氣氧含量為21%,但在地球46億年的歷史里卻并非一直如此。24.5億年前地球大氣氧含量突然從不足目前水平的十萬分之一上升至目前水平的百分之幾,為單細胞生物向多細胞生物的演化鋪平了道路。主流觀點認為,原始大氣中的甲烷分解后氫原子逃逸到太空中,留下的氧原子增加了大氣氧含量。但是當前發現的太陽風氫離子進入窗口則表明,無論行星際磁場的方向如何,億萬年來太陽風可能一直在向地球大氣補充著氫原子。因此,科學家們如果在他們的模式中加入來自太陽風的氫原子,可能會更加正確地理解地球大氣的損失過程。
 
    日前,這篇題為《地磁平靜期太陽風向地球磁層高緯的進入》的文章2月12日在線發表于《自然通訊》,由北京大學地球與空間科學學院宗秋剛教授與山東大學空間科學研究院、山東大學威??臻g科學與物理學院史全岐教授領導完成,受到了國家自然科學基金委、山東省自然科學基金委等項目的大力資助。
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