李迪 陳科

走在小溪邊，我們常常會看見向著大石頭迎面而來的水流會被沖擊后從兩側(cè)繞流。實際上，當太陽風撞擊地球磁層時，產(chǎn)生的表面波也是沿著兩者之間的邊界隨太陽風一起往后傳遞，并在邊界上產(chǎn)生漣漪。

日前，一項發(fā)表在《自然·通訊》上的新研究表明，有些波浪的作用恰恰相反，來自太陽風的能量與地球周圍的磁層“氣泡”相互作用，產(chǎn)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(xù)的時間更長，這意味著它們有更長的時間去加速空間中的帶電粒子，從而能夠?qū)Φ厍蜉椛鋷АO光、電離層等區(qū)域產(chǎn)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(xué)家是如何發(fā)現(xiàn)這些靜止不動的波？它們真的會對地球造成任何影響嗎？

誰是“不速之客”

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達到地球表面，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)院的粒子天體物理團隊負責人劉四明教授介紹到。

劉四明教授表示，其實，你可以想象地球的中間有一塊非常大的磁鐵，它有南北極，它的磁場在地球附近空間形成磁層，源起太陽的太陽風時時刻刻都和地球磁層碰撞，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；而實際中，太陽風絕大部分粒子都帶有電荷，因為磁場的存在，磁層就把這些太陽風里的帶電粒子都擋在外面。

對于太陽風和磁層的相互作用，中國科學(xué)院國家空間科學(xué)中心的李文亞副研究員作出了形象地比喻。他說，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，會在磁層的邊緣產(chǎn)生表面波，猶如船兩側(cè)的波紋，這些表面波會隨太陽風往磁層的尾側(cè)傳播。

而在此次發(fā)表的新研究中，倫敦帝國學(xué)院空間物理學(xué)家Martin Archer及其團隊發(fā)現(xiàn)，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，波光粼粼的這些漣漪肯定是往船尾傳播的?！斑@項研究想說的是，突然有個‘家伙’撞了船一下，形成一個大窟窿，對于船而言，這個窟窿就是‘靜止’在那的?！?/span>

那么，這個“家伙”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，猶如牛奶倒入咖啡攪拌后的樣子，這些隨機無序的湍流就是襲擊磁層、并產(chǎn)生靜止不動表面波的“不速之客”。

這些隨機的、無序的湍流就是襲擊磁層的“不速之客”。

利用模型模擬磁層和太陽風的相互作用

科學(xué)家是如何發(fā)現(xiàn)這些靜止不動的波的？“實際上是研究團隊是根據(jù)數(shù)值模擬手段，建立磁流體模型，基于相關(guān)的物理知識和對磁場以及太陽風的理解，用計算機來模擬太陽風和磁層的相互作用?！眲⑺拿髡f。

據(jù)介紹，地球空間由于時變、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)展起來的一個新的研究手段，數(shù)值模擬對地球空間的理論和應(yīng)用研究產(chǎn)生了深刻的影響。隨著高性能計算能力的不斷提升，數(shù)值模擬手段不斷擴大研究和應(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?qū)τ趶V袤的地球空間而言都是非常有限的，如何利用有限區(qū)域數(shù)據(jù)來了解整個空間全貌？建立在基本物理過程基礎(chǔ)上的空間模式是不可或缺的工具?！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，研究人員就考慮了在整個磁層表面形成的波，利用基于美國宇航局THEMIS衛(wèi)星的觀測數(shù)據(jù)創(chuàng)建模型，該研究小組發(fā)現(xiàn)，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，并形成逆向太陽風移動的波動，研究人員還利用模型解釋來自太陽風的能量和磁層產(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證這種波存在，實際上是依賴于三方面，一方面是由多顆衛(wèi)星在不同地方的同時觀測，另外一方面就是通過相關(guān)理論來模擬磁層和太陽風的相互作用，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。“研究人員是把這三方面結(jié)合之后，才能夠確認說衛(wèi)星里面探測的一些信號確實是來自于太陽風和磁層正對面的比較穩(wěn)定的一個點?！彼f。

“不速之客”帶來的影響還要進一步研究

“日常生活中，我們拿微波爐加熱食物，設(shè)定的時間越長，食物也就越熱。類似的道理，靜止的表面波就會對周圍的帶電粒子持續(xù)、高效地加熱?！崩钗膩喗忉屨f，如果這些波存在，對于我們地球附近空間的認識有重要的應(yīng)用價值，因為“加熱”后的帶電粒子會對在軌的各類航天器形成一定的危害。

研究人員認為這些波可能發(fā)生在宇宙的其他地方，對此，李文亞認為這是有可能的，如果要了解波動的形成、發(fā)展和它后續(xù)的影響，地球空間是最好的“試驗田”，因為圍繞著地球空間環(huán)境的探測器非常多，發(fā)射運行成本也相對較低，并且研究地球周圍空間也有十分重要應(yīng)用價值。

當前，中國科學(xué)院與歐空局聯(lián)合研制中的“微笑”衛(wèi)星任務(wù)，創(chuàng)新性地利用太陽風與磁層碰撞產(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。

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