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

  • 2025年空军航空开放活动和长春航空展举行预演

  • 百舸争流迎开渔

独家策划

推荐阅读
“科创游”是一种将科技与旅游相结合的新型旅游形式,不仅展示科技企业的生产过程和产品,还注重科技教育的普及和科技创新的体验
2025-09-17 10:23
此次大会将讨论通过“人与生物圈计划”及其世界生物圈保护区网络杭州战略行动计划,明确未来十年的发展方向、目标和行动方案
2025-09-17 10:21
人造地球卫星、载人飞船、空间站、空间探测器要“上天”进入预定轨道,运载火箭少不了。在“火箭家族”展台,长征一号至五号运载火箭模型笔直而立。
2025-09-17 10:20
在化学生物学研究中,有一种强大的“分子地图绘制技术”——邻近标记技术。在癌症免疫治疗中,免疫细胞需要足够强和足够多的“信号”才能发起攻击,但癌细胞表面的天然信号往往非常稀疏。
2025-09-17 10:18
当前,秋粮陆续进入成熟期。各地抓住最后的窗口期,落实落细各项增产措施,全力以赴抓好秋粮生产,确保秋粮丰产丰收。
2025-09-17 09:32
人工智能的浪潮正在席卷从科技到教育,乃至全社会的各个角落,中国教育界正在积极推动学习和应用人工智能,以便乘势站在时代前列。今年6月,中国工程院院士、华中科技大学校长尤政提出,人工智能和批判性思维结合形成DNA式的“双螺旋结构”,将有力推动创新。
2025-09-16 09:14
15日,在2025年国家网络安全宣传周主论坛上,《人工智能安全治理框架》2.0版正式发布。落实《全球人工智能治理倡议》,《人工智能安全治理框架》1.0版于2024年9月发布,受到国内外广泛关注。
2025-09-16 09:13
光明日报北京9月15日电 记者陈晨从农业农村部获悉,2025畜禽种业发展论坛14日在北京市平谷区举行。论坛发布了第三次全国畜禽遗传资源普查、濒危畜禽遗传资源保护成效、主要畜种分子身份证构建和遗传评估优秀种公畜等重大成果,举办了畜禽种业振兴成果展,26家单位现场推介新技术、新设备、新成果,72家单位进行专场展示。
2025-09-16 09:13
数智技术以及数智互联技术将推进青年间社会化协同与知识共享,可精准连接青年学习者,并形成跨地域的学习社群与项目协作组。总而言之,数智技术能够为青年群体参与终身学习创造良好条件,能够充分激发青年群体参与终身学习的动力,能够更好地帮助青年群体全面发展。
2025-09-16 09:12
作者:王 珩、程松泉,分别系浙江师范大学教师教育学院教授;浙江师范大学教师教育学院博士生  当前,全球教育正经历一场由人工智能技术驱动的深刻变革。唯有坚守育人初心,在伦理框架内审慎推进技术应用,才能让人工智能真正成为引领教育发展的引擎,而非解构教育本质的飓风。
2025-09-16 09:11
在合成生物学和气候变化应对领域有巨大潜力。
2025-09-16 09:11
走进展区,多款新潮文创让人爱不释手;戴上设备,苏轼笔下的诗词世界任人遨游;指尖轻点,三千年前的青铜器“触手可及”……一系列新产品、新服务、新场景在2025年中国国际服务贸易交易会文旅服务专题亮相,漫步其中,处处感受到科技与创意奔涌、文化和旅游融合的无限活力。
2025-09-15 09:54
在2025年中国国际服务贸易交易会上,一批品类丰富、兼具趣味与文化内涵的文创精品成为展会现场的“人气王”,引爆观展热潮。
2025-09-15 09:54
最大网络基础设施的建成有助于我国突破关键技术的“卡脖子”困境,形成自主可控的核心技术优势,建立起数字经济产业的第二创新生态。 (作者:戎 珂,系清华大学社会科学学院经济学研究所所长、长聘教授;田晓轩,系清华大学社会科学学院经济学研究所博士研究生)
2025-09-15 09:53
今年暑期,工厂游火爆出圈。参观名额秒空、门票收入可观、社交平台相关笔记有10多万条,工厂游俨然成了文旅界新宠。 工厂游等新型旅游业态,实现了工业与文旅的跨界融合,也为文旅经济的发展提供了新增长点。
2025-09-15 09:52
深夜,河南焦作多氟多新材料股份有限公司的实验室依旧灯火通明,总工程师闫春生还在带着团队忙碌。 2006年,多氟多打响了由传统氟化工向精细氟化工、新能源材料转型的战役,闫春生临危受命加入六氟磷酸锂研发团队。
2025-09-15 09:51
2025年中国国际服务贸易交易会9月10日至9月14日在北京举办,众多科技产品亮相展区,吸引观众驻足参观。2025年中国国际服务贸易交易会9月10日至9月14日在北京举办,众多科技产品亮相展区,吸引观众驻足参观。
2025-09-12 10:08
汽车排放被认为是气候变化的“元凶”之一,但学术界一直缺乏对城市道路碳排放进行精准刻画的工具。”借助全景AI模型,可实现二氧化碳排放源的精准提取,模型的平均精度超过93%、平均误差低于1.3ppm(ppm为百万分比浓度)。
2025-09-12 10:01
习近平总书记指出:“要把握人工智能发展趋势和规律,加紧制定完善相关法律法规、政策制度、应用规范、伦理准则,构建技术监测、风险预警、应急响应体系,确保人工智能安全、可靠、可控。人工智能系统的可靠性不能停留在统计意义上的“高概率正确”,而应追求在复杂、开放、动态环境下的“高置信可靠”。
2025-09-12 10:01
10日,2025世界顶尖科学家协会奖(以下简称“顶科协奖”)获奖者名单在上海公布。顶科协奖是2021年在上海发起创设、由红杉中国独家提供永久资金支持的面向全球科学家评选的科学大奖。
2025-09-12 09:59
加载更多