李迪 陳科

走在小溪邊，我們常常會(huì)看見(jiàn)向著大石頭迎面而來(lái)的水流會(huì)被沖擊后從兩側(cè)繞流。實(shí)際上，當(dāng)太陽(yáng)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(yáng)風(fēng)一起往后傳遞，并在邊界上產(chǎn)生漣漪。

日前，一項(xiàng)發(fā)表在《自然·通訊》上的新研究表明，有些波浪的作用恰恰相反，來(lái)自太陽(yáng)風(fēng)的能量與地球周?chē)拇艑印皻馀荨毕嗷プ饔茫a(chǎn)生了似乎靜止不動(dòng)的表面波。這些波與隨太陽(yáng)風(fēng)傳播的波相比持續(xù)的時(shí)間更長(zhǎng)，這意味著它們有更長(zhǎng)的時(shí)間去加速空間中的帶電粒子，從而能夠?qū)Φ厍蜉椛鋷?、極光、電離層等區(qū)域產(chǎn)生潛在的影響。

太陽(yáng)風(fēng)與地球磁層之間究竟是怎樣“互動(dòng)”的？科學(xué)家是如何發(fā)現(xiàn)這些靜止不動(dòng)的波？它們真的會(huì)對(duì)地球造成任何影響嗎？

誰(shuí)是“不速之客”

我們知道，太陽(yáng)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(yáng)噴射出的帶電粒子，被形象地稱(chēng)為太陽(yáng)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(yáng)風(fēng)對(duì)地球的沖擊，如果沒(méi)有磁層的話，太陽(yáng)風(fēng)這種高溫氣體可以直接達(dá)到地球表面，造成不小的傷害。”西南交通大學(xué)物理科學(xué)與技術(shù)學(xué)院的粒子天體物理團(tuán)隊(duì)負(fù)責(zé)人劉四明教授介紹到。

劉四明教授表示，其實(shí)，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(chǎng)在地球附近空間形成磁層，源起太陽(yáng)的太陽(yáng)風(fēng)時(shí)時(shí)刻刻都和地球磁層碰撞，如果太陽(yáng)風(fēng)是中性的，磁層是無(wú)法擋住這些高速高溫的粒子；而實(shí)際中，太陽(yáng)風(fēng)絕大部分粒子都帶有電荷，因?yàn)榇艌?chǎng)的存在，磁層就把這些太陽(yáng)風(fēng)里的帶電粒子都擋在外面。

對(duì)于太陽(yáng)風(fēng)和磁層的相互作用，中國(guó)科學(xué)院國(guó)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(shuō)，地球磁層就像是一條大船，航行在超音速的太陽(yáng)風(fēng)里，一般情形下，會(huì)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(huì)隨太陽(yáng)風(fēng)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(guó)學(xué)院空間物理學(xué)家Martin Archer及其團(tuán)隊(duì)發(fā)現(xiàn)，當(dāng)太陽(yáng)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(yáng)風(fēng)傳播，脈沖襲擊處的波似乎是靜止的。

對(duì)此，李文亞解釋說(shuō)，當(dāng)船在水中航行時(shí)，波光粼粼的這些漣漪肯定是往船尾傳播的?！斑@項(xiàng)研究想說(shuō)的是，突然有個(gè)‘家伙’撞了船一下，形成一個(gè)大窟窿，對(duì)于船而言，這個(gè)窟窿就是‘靜止’在那的?！?/span>

那么，這個(gè)“家伙”到底是誰(shuí)？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(yáng)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(yáng)風(fēng)由此減速成亞音速。特定情形下，這些亞音速的太陽(yáng)風(fēng)會(huì)變成湍流，猶如牛奶倒入咖啡攪拌后的樣子，這些隨機(jī)無(wú)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”。

這些隨機(jī)的、無(wú)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(yáng)風(fēng)的相互作用

科學(xué)家是如何發(fā)現(xiàn)這些靜止不動(dòng)的波的？“實(shí)際上是研究團(tuán)隊(duì)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(shí)和對(duì)磁場(chǎng)以及太陽(yáng)風(fēng)的理解，用計(jì)算機(jī)來(lái)模擬太陽(yáng)風(fēng)和磁層的相互作用?！眲⑺拿髡f(shuō)。

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(lái)的一個(gè)新的研究手段，數(shù)值模擬對(duì)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(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(duì)觀測(cè)現(xiàn)象的認(rèn)識(shí)，開(kāi)拓對(duì)探測(cè)區(qū)域以外空間的了解。任何探測(cè)衛(wèi)星和地基設(shè)備所探測(cè)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(lái)了解整個(gè)空間全貌？建立在基本物理過(guò)程基礎(chǔ)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(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，研究人員就考慮了在整個(gè)磁層表面形成的波，利用基于美國(guó)宇航局THEMIS衛(wèi)星的觀測(cè)數(shù)據(jù)創(chuàng)建模型，該研究小組發(fā)現(xiàn)，當(dāng)太陽(yáng)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(lái)回彈跳，并形成逆向太陽(yáng)風(fēng)移動(dòng)的波動(dòng)，研究人員還利用模型解釋來(lái)自太陽(yáng)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(lái)，研究論文之所以能夠認(rèn)證這種波存在，實(shí)際上是依賴(lài)于三方面，一方面是由多顆衛(wèi)星在不同地方的同時(shí)觀測(cè)，另外一方面就是通過(guò)相關(guān)理論來(lái)模擬磁層和太陽(yáng)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(cè)結(jié)果?！把芯咳藛T是把這三方面結(jié)合之后，才能夠確認(rèn)說(shuō)衛(wèi)星里面探測(cè)的一些信號(hào)確實(shí)是來(lái)自于太陽(yáng)風(fēng)和磁層正對(duì)面的比較穩(wěn)定的一個(gè)點(diǎn)?！彼f(shuō)。

“不速之客”帶來(lái)的影響還要進(jìn)一步研究

“日常生活中，我們拿微波爐加熱食物，設(shè)定的時(shí)間越長(zhǎng)，食物也就越熱。類(lèi)似的道理，靜止的表面波就會(huì)對(duì)周?chē)膸щ娏Ｗ映掷m(xù)、高效地加熱。”李文亞解釋說(shuō)，如果這些波存在，對(duì)于我們地球附近空間的認(rèn)識(shí)有重要的應(yīng)用價(jià)值，因?yàn)椤凹訜帷焙蟮膸щ娏Ｗ訒?huì)對(duì)在軌的各類(lèi)航天器形成一定的危害。

研究人員認(rèn)為這些波可能發(fā)生在宇宙的其他地方，對(duì)此，李文亞認(rèn)為這是有可能的，如果要了解波動(dòng)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(cè)器非常多，發(fā)射運(yùn)行成本也相對(duì)較低，并且研究地球周?chē)臻g也有十分重要應(yīng)用價(jià)值。

當(dāng)前，中國(guó)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(yáng)風(fēng)與磁層碰撞產(chǎn)生的X射線，對(duì)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)。

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