科学家首次在磁鞘中观察到-磁重联-现象

新浪科技
2018-05-16

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新浪科技2018-05-16

图为地球周围的磁场示意图。地球磁场可捕获电子和带电粒子。
图为地球周围的磁场示意图。地球磁场可捕获电子和带电粒子。

5月15日消息,据国外媒体报道,在近日的一项重大研究中,四枚NASA探测器观测到了所谓的“磁重联”现象。这正是地球抵御太阳风的第一道防线。而该防线的形成过程还是首次为人所知。

该现象产生于地球外层大气中一处较为动荡不安的区域,名为磁鞘(magnetosheath)。这一发现或将改变我们对地球防护层的了解。

帝国理工学院物理系教授乔纳森·伊斯特伍德博士(Dr Jonathan Eastwood)参与了本次研究,他指出:“湍流(turbulence)是经典物理中最缺乏了解的重要概念之一。但我们知道它在太空中十分重要,因为它可以实现能量的重新分配。”

“此次观察到这一现象,我们便可提出新的理论或模型,帮助我们理解在其它地方的观测结果,如太阳大气和其它星球磁场等。”

此前科学家曾多次在磁气圈中观察到磁重联现象,但通常都是在平稳的环境中。而此次磁重联则发生在磁气圈外侧的磁鞘中,此处的太阳风极为动荡凶猛。

该任务名为“磁气圈多尺度探测任务”(简称MMS),专为研究磁重联现象而设。磁重联在宇宙中颇为常见。当磁场相连和分离时,便会产生磁重联现象。而此次任务发现了一种新类型的磁重联现象,名为电磁重联。与发生在离地表更近、更平静的磁气圈中的磁重联相比,电磁重联有诸多不同之处。

此前科学家曾一度怀疑磁鞘中不可能发生磁重联,因为该区域中的等离子体极为混乱。但MMS任务发现,磁鞘中也可以产生磁重联现象,只不过规模比此前发现的磁重联小得多。

这一新发现将帮助我们了解此类现象对太空中的宇航员、卫星、以及电力部门的影响。

“磁鞘中的湍流含有大量磁能。”该研究的主要作者、加州大学伯克利分校科学实验室高级研究员泰·潘(Tai Phan)指出,“人们一直在探讨这些能量是如何被耗散的,而磁重联也许能解答这一问题。”

这些能量来自日冕。粒子以每小时160万公里的时速从日冕射向四面八方,形成强大的太阳风。太阳风击中磁鞘时,便会与混乱的等离子体波发生相互作用。

科学家尚不了解这些能量是如何被耗散的,但此次观察到的电磁重联现象或将对他们有所启发。

外层磁气圈(图中蓝色部分)保护着地球,使来自太阳的超音速带电粒子流(即太阳风)发生偏转。粒子绕过磁气圈时,便产生了高度动荡的边界层——磁鞘(图中黄色部分)。科学家正在对该区域展开研究,希望更好地了解不断变化的太空环境。
外层磁气圈(图中蓝色部分)保护着地球,使来自太阳的超音速带电粒子流(即太阳风)发生偏转。粒子绕过磁气圈时,便产生了高度动荡的边界层——磁鞘(图中黄色部分)。科学家正在对该区域展开研究,希望更好地了解不断变化的太空环境。

MMS任务部署了四枚探测器,彼此相距6.4公里,在飞行过程中不断收集数据。这首次为研究人员提供了研究磁鞘中磁重联现象的机会。而结果也正如他们所愿,探测器成功找到了磁重联可在湍流中发生的证据。

但在此过程中,他们发现磁鞘中的磁重联与其它区域有所不同。此类磁重联并不会发射大量由磁场碰撞激发的氢离子,而是会发射规模小得多的电子流,并且几乎不发生磁场碰撞。此前科学家从未发现过这一现象,一部分也与缺乏合适的观察设备有关。

研究人员指出,电子与离子大小极为悬殊,就像拿小弹珠与篮球作比。电子更难以追踪,且速度高达离子的40倍。

“我曾模拟过这一类型的磁重联,”一名研究人员表示,“但科学家此前从未在太空中观察到过该现象。”

随着科学家对MMS任务传回的数据展开分析,还可能发现更多惊喜。

“该任务将使我们的研究达到全新的高度,”研究人员表示,“这就像当初发现原子其实由原子核和电子构成一样,令我们始料未及。”

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