中国学者发现太阳风入侵地球高纬窗口

2013-2-17 12:56 来源: 科学网
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  地球磁层是保护我们家园的最外层屏障,使地球上的生命免于遭受太阳风带电粒子的轰击。但是一小部分太阳风粒子仍可通过各种“窗口”入侵地球磁层。一些已探明的窗口主要发生于地球磁场活动较为活跃的时期,而在地球磁场活动相对平静的时候,这种窗口在何处,以何种方式开放,一直悬而未决。最近,一个由山东大学空间科学研究院和北京大学地球与空间科学学院的研究人员为主导的中欧美国际合作团队巧妙地利用多个航天器的联合观测数据,锁定了这个窗口在高纬的位置,并以精细的计算机模拟和严密的逻辑论证解释了其打开的方式。

  太阳不仅照亮了太阳系,还时时刻刻都在朝四面八方喷出以氢原子为主的等离子体。这些名为“太阳风”的高速等离子体流携带着巨大的能量冲击着行星大气层,试图通过多种途径入侵行星。太阳系中有六颗行星具有全球性的磁场,地球是其中之一。这种全球性磁场可以有效的阻挡和偏转大多数来自太阳大气的太阳风带电粒子,并防止这些带电粒子与行星大气层发生直接的相互作用。在近地空间由地球磁场所控制的区域被称为磁层,它是使地球生命得以保护以及空间飞行器免受损伤的最重要屏障之一。但磁层仍对小部分的太阳风带电粒子开放窗口,允许其进入磁层,在一定的条件下,这些粒子可以有效的得到加速,参与到磁层、电离层和高层大气中的许多物理过程,如:磁暴、磁层亚暴、极光和其他的空间天气效应,这些空间天气效应将给卫星、通信网络、电力设施和航天系统造成很大的危害,甚至威胁宇航员的健康。因此,研究太阳风等离子体如何进入地球磁层是空间物理和空间天气领域中最重要的课题之一。

  太阳风本身携带着源于太阳的磁场,称作行星际磁场,它是控制太阳风粒子进入量的一个重要开关。当行星际磁场呈南向时,一般认为太阳风等离子体可以通过磁场重联过程进入了低纬区域。尽管之前有研究表明在行星际磁场北向期间(在此期间地球磁场一般是较为平静的),可能会有更多的等离子体进入磁层形成了相对厚的低纬边界层和更加稠密的等离子体片,但在这些条件下太阳风进入磁层的主要机制(以及穿越磁层顶的位置等问题)并不清楚,仍存在较多争议。对于进入磁层的太阳风等离子体是否是由于高纬磁重联、脉冲穿透,抑或来自低纬发生的不稳定性或者梯度漂移形成,现在仍无定论。

  此外,人们对于中高度磁层极尖区之后的高纬极尖区的性质了解甚少,部分原因是由于缺乏覆盖此区域的空间探测任务。人们已经知道的是,磁层的尾瓣(lobe)占据了高纬区域的磁尾大部分体积,是储存磁能的区域,包括来自电离层的稀薄的低能离子。虽然以前的观测和数值模拟已经推断其中的等离子体可能来自于磁层以外的区域,如磁鞘中被压缩的太阳风可能会进入高纬尾瓣区域,但几乎没有关于这些等离子体进入的直接观测,部分原因是这些区域缺乏局地的探测,这很大的限制了我们认知这个区域的能力。而具备四颗卫星的欧空局Cluster项目具有独特的优势,它既有覆盖这个区域的轨道,又有一套前所未有的多点卫星探测系统。利用Cluster卫星数据,科学家们在地球磁层高纬区域发现了几个新的且意想不到的太阳风进入区域,即如图所示,位于地磁活动平静期间极尖区尾向的尾瓣区域。通过多个观测证据以及全球的磁流体力学(MHD)的数值模拟,科学家们讨论了几种太阳风粒子注入磁层的可能机制,最后认定这些区域最有可能由高纬磁层顶发生的磁重联产生。研究还发现,在地磁活动平静期间,这些区域的出现率足够的高,说明它们可能主导了等离子体进入地球磁层的过程。

  该项发现可能促使人们重新思考太阳与地球生物圈演化的关系。当前大气氧含量为21%,但在地球46亿年的历史里却并非一直如此。24.5亿年前地球大气氧含量突然从不足目前水平的十万分之一上升至目前水平的百分之几,为单细胞生物向多细胞生物的演化铺平了道路。主流观点认为,原始大气中的甲烷分解后氢原子逃逸到太空中,留下的氧原子增加了大气氧含量。但是当前发现的太阳风氢离子进入窗口则表明,无论行星际磁场的方向如何,亿万年来太阳风可能一直在向地球大气补充着氢原子。因此,科学家们如果在他们的模式中加入来自太阳风的氢原子,可能会更加正确地理解地球大气的损失过程。

  日前,这篇题为《地磁平静期太阳风向地球磁层高纬的进入》的文章2月12日在线发表于《自然•通讯》,由北京大学地球与空间科学学院宗秋刚教授与山东大学空间科学研究院、山东大学威海空间科学与物理学院史全岐教授领导完成,受到了国家自然科学基金委、山东省自然科学基金委等项目的大力资助。