利用模型模擬磁層和太陽風相互作用 產(chǎn)生靜止不動表面波

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。

太陽風與地球磁層之間究竟是怎樣“互動”的?科學家是如何發(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。”西南交通大學物理科學與技術學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，中國科學院國家空間科學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，猶如船兩側的波紋，這些表面波會隨太陽風往磁層的尾側傳播。

而在此次發(fā)表的新研究中，倫敦帝國學院空間物理學家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。“這項研究想說的是，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。”

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。”劉四明說。

據(jù)介紹，地球空間由于時變、多成分、多自由度的關聯(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用的范圍，極大縮短了研究和應用的周期。

“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)星和地基設備所探測的區(qū)域對于廣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上的空間模式是不可或缺的工具。”劉四明表示，模型具有真正意義的可檢驗性，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理論來模擬磁層和太陽風的相互作用，最后結合相關的理論分析，理解這些模擬結果和觀測結果。“研究人員是把這三方面結合之后，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。”他說。

“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。”李文亞解釋說，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用價值。

當前，中國科學院與歐空局聯(lián)合研制中的“微笑”衛(wèi)星任務，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雜波動。(李迪 陳科)