点击右上角微信好友

朋友圈

请使用浏览器分享功能进行分享

正在阅读:当太阳风吹过地球磁层 竟然形成了静止不动的表面波
首页> 科普频道> 天文·地理 > 正文

当太阳风吹过地球磁层 竟然形成了静止不动的表面波

来源:科技日报2021-10-29 18:16

调查问题加载中,请稍候。
若长时间无响应,请刷新本页面

  任何超音速的流体碰到障碍物时,都会形成冲击波;而超音速的太阳风撞击地球磁层时,会在磁层边缘外形成冲击波,太阳风由此减速成亚音速。特定情形下,这些亚音速的太阳风会变成湍流,这些随机无序的湍流就是袭击磁层、并产生静止不动表面波的“不速之客”。

  走在小溪边,我们常常会看见冲击石头的水流,会在冲击后从石头的两侧绕流。实际上,当太阳风撞击地球磁层时,产生的表面波也是沿着两者之间的边界随太阳风一起向后传递,并在边界上产生涟漪。

  日前,一项发表在《自然·通讯》上的最新研究表明,有些“波浪”恰恰相反:来自太阳风的能量与地球周围的磁层“气泡”相互作用,产生了似乎静止不动的表面波。这些波与随太阳风传播的波相比持续时间更长,这就意味着它们有更长的时间去加速空间中的带电粒子,从而有可能会对地球辐射带、极光、电离层等区域产生潜在的影响。

  太阳风与地球磁层之间究竟是怎样“互动”的?科学家又是如何发现这些静止不动的波的?它们真的会对地球造成影响吗?

  “不速之客”撞出静止不动的表面波

  我们知道,太阳是一个温度很高的大气团,它的主要组成元素是氢和氦。而太阳喷射出的带电粒子,被形象地称为太阳风。

  “我们所在的地球,有一个‘保护罩’,就是磁层。它能阻挡太阳风对地球的冲击,如果没有磁层的话,太阳风这种高温气体可以直接到达地球表面,对地球造成不小的伤害。”西南交通大学物理科学与技术学院粒子天体物理团队负责人刘四明教授介绍道。

  刘四明表示,其实,大家可以想象地球的中间有一块非常大的磁铁,它有南北两极,磁铁的磁场在地球附近空间形成磁层。要知道,太阳风时时刻刻都在和地球磁层碰撞,如果太阳风是中性的,磁层是无法挡住这些高速高温的粒子的;但实际上,太阳风中的绝大部分粒子都带有电荷,因此磁层就把这些太阳风里的带电粒子都挡在了地球外面。

  对于太阳风和磁层的相互作用,中国科学院国家空间科学中心副研究员李文亚作了个形象的比喻:地球磁层就像是一条大船,航行在超音速的太阳风里。一般情形下,太阳风与地球磁层“相遇”,会在磁层的边缘产生表面波,犹如船行驶时两侧的波纹,这些表面波会随太阳风往磁层的尾侧传播。

  而在此次最新研究中,英国伦敦帝国学院空间物理学家马丁·阿彻及其团队发现,当太阳风脉冲袭击磁层时,形成的波不仅在地球两个磁极间“弹跳”,还逆向太阳风的方向传播,脉冲袭击处的波似乎是静止的。

  对此,李文亚解释说,当船在水中航行时,这些波光粼粼的涟漪肯定是往船尾传播的。“此次研究指的是,突然有个‘不速之客’撞了船一下,形成一个大窟窿,对于船而言,这个窟窿就像是‘静止’在那。”

  那么,这个“不速之客”到底是谁?实际上,任何超音速的流体碰到障碍物时,都会形成冲击波;而超音速的太阳风撞击地球磁层时,会在磁层边缘外形成冲击波,太阳风由此减速成亚音速。特定情形下,这些亚音速的太阳风会变成湍流,这些随机无序的湍流就是袭击磁层、并产生静止不动表面波的“不速之客”。

  利用模型模拟磁层和太阳风的相互作用

  那么,科学家是如何发现这些静止不动的波的?“研究团队根据数值模拟手段,建立了磁流体模型,基于相关的物理知识和对磁场以及太阳风的理解,用计算机模拟了太阳风和磁层的相互作用。”刘四明说。

  据介绍,地球空间由于时变、多成分、多自由度的关联相互作用,使得传统的理论分析变得非常困难。作为近几十年发展起来的一个新的研究手段,数值模拟对地球空间理论和应用研究产生了深刻的影响。随着计算能力的不断提升,数值模拟手段不断扩大研究和应用的范围,极大缩短了研究和应用的周期。

  “数值模拟有助于加深对观测现象的认识,开拓对探测区域以外空间的了解。任何探测卫星和地基设备所探测的区域相对于广袤的地球空间而言都是非常有限的,如何利用有限的区域数据来了解整个空间全貌?建立在基本物理过程基础上的空间模型是不可或缺的工具。”刘四明表示,模型具有真正意义的可检验性,可与观察数据直接比较,并为局地模型提供宏观启示。

  在该研究中,研究人员就是考虑了在整个磁层表面形成的波,利用基于美国国家航空航天局(NASA)空间探测卫星的观测数据创建模型,发现当太阳风脉冲击中磁层时,形成的波在地球两个磁极之间来回“弹跳”,并形成逆向太阳风方向移动的波,研究人员还利用模型解释了来自太阳风的能量和磁层产生的波浪是如何相互抵消的。

  在刘四明看来,研究论文之所以能够认证这种波的存在,实际上依赖于三个方面。一方面是由多颗卫星在不同地方的同时观测,另外一方面就是通过相关理论模型来模拟磁层和太阳风的相互作用,最后结合相关的理论分析,理解这些模拟结果和观测结果。“研究人员正是把这三方面结合之后,才能够确认卫星探测到的一些信号确实是来自于太阳风和磁层正对面的一个比较稳定的点。”他说。

  “加热”后的带电粒子或会损伤航天器

  如果这些静止不动的波真的存在,它真的有可能会对地球辐射带、极光、电离层等区域产生潜在的影响吗?

  “日常生活中,我们拿微波炉加热食物,设定的时间越长,食物也就越热。同理,静止的表面波也会对周围的带电粒子持续、高效地加热。”李文亚解释说,如果这些波确实存在,对于研究地球附近空间有重要的价值,因为“加热”后的带电粒子会对在轨的各类航天器造成一定的危害。

  此外,研究人员认为这些波也可能产生于宇宙的其他地方。对此,李文亚认为这是有可能的,但如果要了解波的形成、发展和它后续的影响,地球空间是最好的“试验田”,因为围绕着地球空间环境的探测器非常多,发射运行成本也相对较低。

  当前,中国科学院与欧洲航天局联合研制中的“微笑”卫星,创新性地利用太阳风与磁层碰撞产生的X射线,对磁层“拍照”。借此,我们将有望首次看到磁层边缘的复杂波动。(李 迪 陈 科

[ 责编:蔡琳 ]
阅读剩余全文(

相关阅读

您此时的心情

光明云投
新闻表情排行 /
  • 开心
     
    0
  • 难过
     
    0
  • 点赞
     
    0
  • 飘过
     
    0

视觉焦点

  • 春到京城探桃花

  • 迪拜至杭州航线复航 数百名同胞乘机回国

独家策划

推荐阅读
从实验室的“青苹果”到产业端的“金苹果”,距离有多远?2026年全国两会期间,两位代表分享了他们的探索实践。
2026-03-09 09:46
加快科技自立自强,既是破解产业升级瓶颈的重要支撑,也是抢占未来产业新赛道、培育新质生产力的关键依托。
2026-03-09 09:45
在全国两会会场,记者见到了贵州省六盘水市水城区农业农村局农业综合开发中心主任杨恩兰代表,聊起了她来京前的“田间故事”。
2026-03-09 09:44
杨建成委员介绍,经过几十年发展,我国布局建造了一批重大科技基础设施。
2026-03-09 09:43
中国工程院院士,第十四届全国人大常委会委员、农业与农村委员会副主任委员唐华俊代表:为此,建议推动在农业法、乡村振兴促进法等相关法律法规中增设专章专节部署农业资源区划工作。
2026-03-09 09:27
粮食安全,是“国之大者”。3月5日提请十四届全国人大四次会议审查的“十五五”规划纲要草案提出“十五五”时期主要目标和重大任务,明确粮食综合生产能力达到1.45万亿斤左右。
2026-03-06 09:35
我国科技成果大量涌现,人形机器人大放异彩,开源大模型领跑全球,芯片攻关取得新突破,创新药迅猛发展。
2026-03-06 09:31
生态环境法典草案规定,国家根据需要在长江、黄河、青藏高原等重要流域、区域建立协调机制,统筹指导、综合协调长江、黄河、青藏高原等重要流域、区域的生态环境保护等工作。
2026-03-06 09:29
“十五五”时期,开展生态保护修复成效评估、科学开展大规模国土绿化,将确保生态保护修复走得更稳、更实、更远。
2026-03-06 09:27
当前,新一轮科技革命和产业变革加速突破,我国经济基础稳、优势多、韧性强、潜能大,中国特色社会主义制度优势、超大规模市场优势、完整产业体系优势、丰富人才资源优势更加彰显。
2026-03-06 09:25
(记者冯丽妃)3月4日,全国政协十四届四次会议首场“委员通道”集体采访活动在北京人民大会堂举行。”  令人欣慰的是,潘建伟表示,通过国家重大科研任务的锤炼,我国量子科技研究队伍呈现年轻化、跨学科交叉的特点,并且兼具前沿探索和工程攻关的能力。
2026-03-05 09:56
全国人大代表、广东茂名化州市培林橘红种植专业合作社社长廖志略带来的化橘红树苗。这是全国人大代表、广东茂名化州市培林橘红种植专业合作社社长廖志略制作的集纳了乡亲们笑脸的3D照片。
2026-03-05 09:56
在天津市滨海新区,海上油气平台建设工人操作打磨机器人。不仅是我们团队,金凤实验室已为入驻科学家搭建病理表型组平台、纳米合成平台等8个国际领先的科研平台,提供科研设施设备超过6000台套。
2026-03-05 09:56
中国科学院广州地球化学研究所王强研究员团队联合国际合作者的一项最新研究给出了答案:高原并非一直向上生长,而是经历了两次“抬升—沉降”的起伏旋回。“青藏高原的生长不是简单的‘长高’,而是多阶段‘抬升—沉降’交替的结果。
2026-03-05 09:56
全国政协委员、宁德时代新能源科技股份公司董事长曾毓群从产业实战经历出发,分享了独属我国新能源事业的攀登故事。他坚信,秉持攀登精神、锚定目标,脚踏实地、勇毅笃行,就没有越不过去的险峰,就没有实现不了的梦想!
2026-03-05 09:56
在从事概率地震危险性分析、地震灾害风险评估工作中,我深刻感受到新兴技术发展日新月异,大大提升了我国的防灾减灾能力。
2026-03-04 09:42
从火星之上的精细探测,到地球深处探测的装备突破,我们用持续的创新创造,把关键核心技术牢牢掌握在中国人自己手中,为培育新质生产力、促进高质量发展贡献力量。
2026-03-04 09:41
我们始终坚持教育、科技、人才一体发展,推行“本硕博一体贯通+产业+专家+基地”模式,通过“博士村长”计划,培养了一大批知农爱农的复合型人才。
2026-03-04 09:40
回望“十四五”,中国经济在世界百年未有之大变局中彰显强大韧性,让我对高质量发展路径有了更深刻的认知。
2026-03-04 09:39
中国科学院国家天文台,年过八旬的中国科学院院士汪景琇春节假期一直在办公室忙碌,“有篇科普文章刚开了头,得抓紧写出来。”
2026-03-04 09:38
加载更多