當(dāng)太陽風(fēng)吹過地球磁層
竟然形成了靜止不動(dòng)的表面波
李 迪 陳 科
任何超音速的流體碰到障礙物時(shí)，都會(huì)形成沖擊波；而超音速的太陽風(fēng)撞擊地球磁層時(shí)，會(huì)在磁層邊緣外形成沖擊波，太陽風(fēng)由此減速成亞音速。特定情形下，這些亞音速的太陽風(fēng)會(huì)變成湍流，這些隨機(jī)無序的湍流就是襲擊磁層、并產(chǎn)生靜止不動(dòng)表面波的“不速之客”。
走在小溪邊，我們常常會(huì)看見沖擊石頭的水流，會(huì)在沖擊后從石頭的兩側(cè)繞流。實(shí)際上，當(dāng)太陽風(fēng)撞擊地球磁層時(shí)，產(chǎn)生的表面波也是沿著兩者之間的邊界隨太陽風(fēng)一起向后傳遞，并在邊界上產(chǎn)生漣漪。
日前，一項(xiàng)發(fā)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(fēng)的能量與地球周圍的磁層“氣泡”相互作用，產(chǎn)生了似乎靜止不動(dòng)的表面波。這些波與隨太陽風(fēng)傳播的波相比持續(xù)時(shí)間更長，這就意味著它們有更長的時(shí)間去加速空間中的帶電粒子，從而有可能會(huì)對地球輻射帶、極光、電離層等區(qū)域產(chǎn)生潛在的影響。
太陽風(fēng)與地球磁層之間究竟是怎樣“互動(dòng)”的？科學(xué)家又是如何發(fā)現(xiàn)這些靜止不動(dòng)的波的？它們真的會(huì)對地球造成影響嗎？
“不速之客”撞出靜止不動(dòng)的表面波
我們知道，太陽是一個(gè)溫度很高的大氣團(tuán)，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(fēng)。
“我們所在的地球，有一個(gè)‘保護(hù)罩’，就是磁層。它能阻擋太陽風(fēng)對地球的沖擊，如果沒有磁層的話，太陽風(fēng)這種高溫氣體可以直接到達(dá)地球表面，對地球造成不小的傷害?！蔽髂辖煌ù髮W(xué)物理科學(xué)與技術(shù)學(xué)院粒子天體物理團(tuán)隊(duì)負(fù)責(zé)人劉四明教授介紹道。
劉四明表示，其實(shí)，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(fēng)時(shí)時(shí)刻刻都在和地球磁層碰撞，如果太陽風(fēng)是中性的，磁層是無法擋住這些高速高溫的粒子的；但實(shí)際上，太陽風(fēng)中的絕大部分粒子都帶有電荷，因此磁層就把這些太陽風(fēng)里的帶電粒子都擋在了地球外面。
對于太陽風(fēng)和磁層的相互作用，中國科學(xué)院國家空間科學(xué)中心副研究員李文亞作了個(gè)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(fēng)里。一般情形下，太陽風(fēng)與地球磁層“相遇”，會(huì)在磁層的邊緣產(chǎn)生表面波，猶如船行駛時(shí)兩側(cè)的波紋，這些表面波會(huì)隨太陽風(fēng)往磁層的尾側(cè)傳播。
而在此次最新研究中，英國倫敦帝國學(xué)院空間物理學(xué)家馬丁·阿徹及其團(tuán)隊(duì)發(fā)現(xiàn)，當(dāng)太陽風(fēng)脈沖襲擊磁層時(shí)，形成的波不僅在地球兩個(gè)磁極間“彈跳”，還逆向太陽風(fēng)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(dāng)船在水中航行時(shí)，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(gè)‘不速之客’撞了船一下，形成一個(gè)大窟窿，對于船而言，這個(gè)窟窿就像是‘靜止’在那。”
那么，這個(gè)“不速之客”到底是誰？實(shí)際上，任何超音速的流體碰到障礙物時(shí)，都會(huì)形成沖擊波；而超音速的太陽風(fēng)撞擊地球磁層時(shí)，會(huì)在磁層邊緣外形成沖擊波，太陽風(fēng)由此減速成亞音速。特定情形下，這些亞音速的太陽風(fēng)會(huì)變成湍流，這些隨機(jī)無序的湍流就是襲擊磁層、并產(chǎn)生靜止不動(dòng)表面波的“不速之客”。
利用模型模擬磁層和太陽風(fēng)的相互作用
那么，科學(xué)家是如何發(fā)現(xiàn)這些靜止不動(dòng)的波的？“研究團(tuán)隊(duì)根據(jù)數(shù)值模擬手段，建立了磁流體模型，基于相關(guān)的物理知識和對磁場以及太陽風(fēng)的理解，用計(jì)算機(jī)模擬了太陽風(fēng)和磁層的相互作用?！眲⑺拿髡f。
據(jù)介紹，地球空間由于時(shí)變、多成分、多自由度的關(guān)聯(lián)相互作用，使得傳統(tǒng)的理論分析變得非常困難。作為近幾十年發(fā)展起來的一個(gè)新的研究手段，數(shù)值模擬對地球空間理論和應(yīng)用研究產(chǎn)生了深刻的影響。隨著計(jì)算能力的不斷提升，數(shù)值模擬手段不斷擴(kuò)大研究和應(yīng)用的范圍，極大縮短了研究和應(yīng)用的周期。
“數(shù)值模擬有助于加深對觀測現(xiàn)象的認(rèn)識，開拓對探測區(qū)域以外空間的了解。任何探測衛(wèi)星和地基設(shè)備所探測的區(qū)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(qū)域數(shù)據(jù)來了解整個(gè)空間全貌？建立在基本物理過程基礎(chǔ)上的空間模型是不可或缺的工具?！眲⑺拿鞅硎荆Ｐ途哂姓嬲饬x的可檢驗(yàn)性，可與觀察數(shù)據(jù)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(gè)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(wèi)星的觀測數(shù)據(jù)創(chuàng)建模型，發(fā)現(xiàn)當(dāng)太陽風(fēng)脈沖擊中磁層時(shí)，形成的波在地球兩個(gè)磁極之間來回“彈跳”，并形成逆向太陽風(fēng)方向移動(dòng)的波，研究人員還利用模型解釋了來自太陽風(fēng)的能量和磁層產(chǎn)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(rèn)證這種波的存在，實(shí)際上依賴于三個(gè)方面。一方面是由多顆衛(wèi)星在不同地方的同時(shí)觀測，另外一方面就是通過相關(guān)理論模型來模擬磁層和太陽風(fēng)的相互作用，最后結(jié)合相關(guān)的理論分析，理解這些模擬結(jié)果和觀測結(jié)果。“研究人員正是把這三方面結(jié)合之后，才能夠確認(rèn)衛(wèi)星探測到的一些信號確實(shí)是來自于太陽風(fēng)和磁層正對面的一個(gè)比較穩(wěn)定的點(diǎn)?！彼f。
“加熱”后的帶電粒子或會(huì)損傷航天器
如果這些靜止不動(dòng)的波真的存在，它真的有可能會(huì)對地球輻射帶、極光、電離層等區(qū)域產(chǎn)生潛在的影響嗎？
“日常生活中，我們拿微波爐加熱食物，設(shè)定的時(shí)間越長，食物也就越熱。同理，靜止的表面波也會(huì)對周圍的帶電粒子持續(xù)、高效地加熱?！崩钗膩喗忉屨f，如果這些波確實(shí)存在，對于研究地球附近空間有重要的價(jià)值，因?yàn)椤凹訜帷焙蟮膸щ娏Ｗ訒?huì)對在軌的各類航天器造成一定的危害。
此外，研究人員認(rèn)為這些波也可能產(chǎn)生于宇宙的其他地方。對此，李文亞認(rèn)為這是有可能的，但如果要了解波的形成、發(fā)展和它后續(xù)的影響，地球空間是最好的“試驗(yàn)田”，因?yàn)閲@著地球空間環(huán)境的探測器非常多，發(fā)射運(yùn)行成本也相對較低。
當(dāng)前，中國科學(xué)院與歐洲航天局聯(lián)合研制中的“微笑”衛(wèi)星，創(chuàng)新性地利用太陽風(fēng)與磁層碰撞產(chǎn)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(fù)雜波動(dòng)。 【編輯:陳文韜】
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