能量如何耗散地球的磁场

在此可视化中，当超音速太阳风（黄色霾）围绕地球磁场（蓝色波浪线）流动时，它形成了一个高度湍流的边界层，称为“ magnetosheath”（黄色漩涡区域）。一份新的研究论文描述了磁石内部小规模磁重新连接的观察结果，揭示了有关太阳外层和宇宙中其他地方加热的重要线索。美国宇航局/ GSFC

地球磁场提供了一个看不见但至关重要的屏障，可以保护地球免受太阳风的侵害-太阳外层发射的带电粒子流。磁场的保护特性可能会由于称为磁重连的过程而失效，该过程会在两条相对的磁力线断裂并相互重新连接，耗散大量能量并加速威胁空中交通和卫星通信系统的粒子时发生。

在地球磁场的外面，太阳风对电子和离子化气体的猛烈冲击产生了涡动的磁能，即磁石。尽管磁重联已被记录在离地球更近的地方，但物理学家已设法确定在该湍流区是否也发生了重联。

马里兰大学物理学教授詹姆斯·德雷克（James Drake）合着的一篇新研究论文表明，这个问题的答案是肯定的。该观测结果发表在2018年5月10日的《自然》杂志上，提供了在湍流磁石场中很小的空间尺度上发生磁重新连接的第一个证据。但是，与涉及磁场以及电子和离子的地球磁场发生的重新连接不同，磁石中的湍流重新连接仅涉及电子。

“我们知道，搅动的湍流系统中的磁能级联级数越来越小。在某些时候，能量被完全消散了。最大的问题是这种情况如何发生，以及磁重新连接在如此小的规模上起什么作用，”德雷克说。“这项研究表明，重新连接确实可以在电子尺度上发生，根本不涉及任何离子，这表明重新连接可以帮助在很小的尺度上消散磁能。”

通过更清晰地了解磁重联的物理原理，这一发现有望促进科学家对太阳物理中几个悬而未决的问题的理解。例如，电子尺度的磁重联可能在加热日冕中发挥作用，日冕是一个围绕太阳的膨胀的带电粒子层，其温度比太阳的可见表面高数百倍。反过来，这可以帮助解释太阳风的物理原理，以及太空中其他地方的湍流磁系统的性质。

NASA的磁层多尺度（MMS）任务收集了数据进行分析。MMS飞行成金字塔形，在四个相同的航天器之间只有4.5英里的距离，MMS每30毫秒对金字塔内的电子成像一次。这些高度精确的测量使研究人员能够捕获湍流的纯电子磁连接，而这种现象是以前没有观察到的。

加州大学伯克利分校太空科学实验室资深研究员Tai Phan说：“ MMS发现了电子磁重连接，这一新过程与发生在地球周围较平静地区的标准磁重连接大不相同。”纸。“这一发现有助于科学家了解湍流磁场如何在整个宇宙中耗散能量”。

由于湍流重新连接仅涉及电子，因此对于寻求标准磁重新连接的典型标志：离子束的科学家来说，它仍然是隐藏的。与标准的重新连接相比，在标准重新连接中，宽泛的离子束从重新连接的位置流出数万英里，而湍流的重新连接将窄的电子束喷射出只有几英里的宽度。

但是MMS科学家能够利用一种仪器-快速等离子体调查（Fast Plasma Investigation）来设计一种技术，使他们能够在线之间读取并收集额外的数据点来解决喷射问题。

“论文的关键事件发生在45毫秒内。这将是常规数据的一个数据点。”位于华盛顿特区的美国天主教大学的研究生艾米·拉格（Amy Rager）说，他曾在NASA的戈达德太空飞行中心研究过这项技术。“但是相反，通过这种方法，我们可以在该区域中获得六到七个数据点，从而使我们能够了解正在发生的事情。”

借助新方法，MMS科学家希望他们能够梳理现有数据集，以发现更多此类事件以及其他意外发现。

“数据中有些意外，”德雷克说。“当您有两个方向相反的磁场相互抵消时，就会发生磁重联。在当前情况下，an灭发生后，仍然存在较大的环境磁场。老实说，我们对存在这种背景磁场会在很小的尺度上发生湍流重新连接感到惊讶。”

磁重连接发生在整个宇宙中，因此，无论科学家在地球附近了解到什么，都可以应用于其他现象。例如，湍流电子重新连接的发现可能有助于科学家了解磁性重新连接在加热难以解释的高温日冕-太阳的外层大气-并加速超音速太阳风中的作用。美国宇航局即将进行的帕克太阳探测器任务将在2018年夏季直接朝着太阳行进，以对这些问题进行调查，并对地球附近的磁重联结有了新的认识。

出版物：T. D. Phan等人，“地球湍流石场中没有离子耦合的电子磁重连接”，《自然》，第557卷，第202–206页（2018）doi：10.1038 / s41586-018-0091-5