中国学者发现太阳风入侵地球高纬窗口

地球的磁层是保护我们家园不受太阳风中带电粒子轰击的最外层屏障。然而,少量太阳风粒子仍然可以通过各种“窗口”侵入地球的磁层。一些被证实的窗口主要出现在地球磁场相对活跃的时期,但是当地球磁场相对平静时,在哪里以及如何打开这些窗口仍然没有解决。最近,由山东大学空间科学研究所和北京大学地球与空间科学学院的研究人员组成的中、欧、美国际合作小组,巧妙地利用多个航天器的联合观测数据对高纬度地区的窗口进行了定位,并用精细的计算机模拟和严密的逻辑论证解释了打开窗口的方法。

太阳不仅照亮了太阳系,而且一直向各个方向喷射由氢原子控制的等离子体。这些被称为“太阳风”的高速等离子流携带着巨大的能量,冲击着地球的大气层,试图通过各种方式入侵地球。地球是太阳系中拥有全球磁场的六大行星之一。这个全球磁场可以有效地阻挡和偏转来自太阳大气层的大多数太阳风带电粒子,并阻止这些带电粒子直接与地球大气层相互作用。近地空间中由地球磁场控制的区域称为磁气圈,它是保护地球生命和保护航天器免受损害的最重要屏障之一。然而,磁层仍然对少量太阳风带电粒子开放,允许它们进入磁层。在某些条件下,这些粒子可以被有效地加速,并参与磁层、电离层和高层大气的许多物理过程,如磁暴、磁层亚暴、极光和其他空间天气效应。这些空间天气效应将对卫星、通信网络、电力设施和空间系统造成巨大危害,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磁层是空间物理和空间天气领域的重要课题之一。

太阳风本身携带一个来自太阳的磁场,称为行星际磁场,这是控制太阳风粒子进入量的一个重要开关。当行星际磁场向南时,一般认为太阳风等离子体可以通过磁场重联过程进入低纬度地区。尽管以前的研究表明,在行星际磁场的北向阶段(在此期间,地球磁场通常相对平静),更多的等离子体可能进入磁层,形成相对较厚的低纬度边界层和更致密的等离子体层,这是太阳风进入磁层的主要机制(以及穿过磁层顶部的位置等)。)在这些条件下还不清楚,仍有许多争议。进入磁层的太阳风等离子体是由高纬度地区的磁重联、脉冲穿透还是低纬度地区的不稳定或梯度漂移引起的,目前仍不确定。

此外,人们对中高磁层极尖区之后的高纬度极尖区的性质知之甚少,部分原因是缺乏覆盖该区域的空间探索任务。众所周知,磁气圈的波瓣占据了高纬度地区磁尾的大部分体积,并且是存储磁能的区域,包括来自电离层的薄低能离子。虽然先前的观测和数值模拟已经推断出等离子体可能来自磁气圈以外的区域,例如磁鞘中的压缩太阳风,它可能进入高纬度尾叶区域,但是很少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部探测,这极大地限制了我们识别该区域的能力。欧空局的四颗卫星集群项目具有独特的优势。它不仅拥有覆盖该地区的轨道,还拥有前所未有的多点卫星探测系统。如图所示,利用集群卫星数据,科学家在地球磁层的高纬度区域发现了几个新的和意想不到的太阳风进入区域,即在地磁活动平静期间位于极尖区域尾部方向的尾叶区域。通过一些观测证据和全球磁流体动力学(MHD)数值模拟,科学家讨论了太阳风粒子注入磁层的几种可能机制,最后得出结论,这些区域最有可能是由高纬度磁层顶部的磁重联产生的。该研究还发现,在地磁活动平静期,这些区域的出现率足够高,表明它们可能主导等离子体进入地球磁层的过程。

这一发现可能会促使人们重新考虑太阳和地球生物圈进化之间的关系。目前大气中的氧含量是21%,但在地球46亿年的历史中,情况并非总是如此。24.5亿年前,地球大气中的氧含量突然从目前水平的不到1%上升到目前水平的几%,为单细胞生物进化为多细胞生物铺平了道路。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,留下氧原子,增加大气中的氧含量。然而,目前在进入窗户的太阳风中发现的氢离子表明,不管行星际磁场的方向如何,太阳风可能已经为地球大气提供了数亿年的氢原子。因此,如果科学家将太阳风中的氢原子加入到他们的模型中,他们可能会对地球大气的流失过程有更好的了解。

几天前,这篇题为“地磁平静期的太阳风方向和地球磁层高纬度的进入”的文章于2月12日在《自然通讯》在线发表。它是在北京大学地球与空间科学学院宗秋刚教授、山东大学空间科学研究所史全齐教授和山东大学威海空间科学与物理学院的领导下完成的,得到了国家自然科学基金委员会和山东省自然科学基金委员会等项目的大力支持。(资料来源:北京大学宗秋刚)

标题:中国学者发现太阳风入侵地球高纬窗口

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