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

  • 探访牛河梁国家考古遗址公园

  • 山东青岛:加紧生产欧洲空调订单

独家策划

推荐阅读
最初,动画和实拍泾渭分明,然而随着手工转描、仿真合成、运动捕捉这类手段的引入,动画和实拍开始相互渗透。AI对动画与实拍的缝合,会将影像艺术彻底引向“泛动画”的时代。
2026-08-05 09:33
衣服透气不闷汗、个性化定制汽车交付快、人形机器人型号多,商品性能更好、生产效率更高、创新活力更足……近年来,这些生产生活中的变化,折射出纳米制造、柔性制造、共享制造等新趋势。
2026-08-05 09:26
在这样的微观世界里,科学家操控原子和分子,设计制造具有特殊性能的新材料、新器件,这就是纳米制造。目前,纳米制造已经实现在原子分子量级设计新材料,按需定制材料的储能、催化、防腐、导电等特性,突破传统制造的性能天花板。
2026-08-05 09:26
近日,中国农业科学院都市农业研究所联合国内外科研单位,发现了改良生菜体内的营养和风味物质的基因密码。生菜在被人类驯化与改良的漫长过程中,口感和营养发生显著变化,这背后离不开关键基因的“调控”。
2026-08-05 09:24
当地时间3日,在意大利佛罗伦萨举办的第46届国际空间研究委员会(COSPAR)科学大会上,中国气象局王劲松研究员荣获威廉·诺德伯格奖章。王劲松是首位获此殊荣的中国科学家,并同步获得一颗小行星命名。此次获奖表明,我国空间科学与应用领域研究成果获得国际学术界高度认可。
2026-08-05 07:40
石墨烯,单层碳原子排成的蜂窝薄膜,薄到极致。但把它一层层摞起来时,层与层之间如何错位——用专业术语叫作堆垛方式——会彻底改写材料的“脾气”。
2026-08-04 03:05
中国石化重庆川维化工公司5万吨/年特种聚乙烯醇(PVA)树脂装置日前顺利一次开车成功并产出合格产品,首批货品已发往欧洲。至此,川维化工PVA总产能达21万吨/年,跃居全球单一工厂中最大的高端PVA生产基地。
2026-08-04 03:05
菱方堆垛的石墨烯有一个天然“超能力”:电子彼此间的相互作用强,集体表现出超导、磁性等奇特行为。这在物理学上叫“强电子关联”——电子不再是各自乱跑的粒子,而是有着充分沟通的步调一致的集体,像一支训练有素的“乐队”。
2026-08-04 03:05
今年上半年,人工智能领域一系列标志性成果密集落地。在技术、应用、生态、治理的协力牵引下,人工智能产业迸发出前所未有的发展活力,赋能实体经济的成效持续凸显。
2026-08-04 09:31
近日,由人力资源社会保障部、安徽省人民政府共同主办的“创赢未来”创业大赛(以下简称“大赛”)全国赛在安徽合肥圆满收官。在大赛同步举办的创业安徽成果展区,一瓶瓶单原子农药整齐陈列,它们同样是“人工智能+创业”的杰作。
2026-08-04 09:31
日前,华中科技大学同济医学院基础医学院郭峥教授团队首次证明:干细胞能够通过表观遗传机制“记忆”自身的分裂次数,像精密仪器般严格遵循着“8+1”的分裂计数规律。
2026-08-03 03:15
伴随着一阵嗡鸣声,国姓岙码头,满载饵料的农业无人机腾空而起,飞向远处的大黄鱼养殖基地。“引入农业无人机后,作业效率提升3倍以上,每年每个网箱预计可节约管理成本约5000元。
2026-08-03 09:16
中国气象局总工程师潘进军表示,中国气象智能预警方案“妈祖”,正发展为面向发展中国家的共享型、可定制、可持续的国际公共产品。
2026-08-03 09:15
碳计量是实现“双碳”目标的基础性工作,是科学核算碳储量、规范碳汇交易、推动生态产品价值实现的关键支撑。
2026-08-03 09:15
提高科技创新投入效能的关键,在于改革科研经费管理和评价机制。科技创新投入效能的提高,是关乎国家创新体系整体效能的系统工程。
2026-08-03 09:14
量子科技是新一轮科技革命和产业变革的前沿领域。近年来,一批量子科技成果走向实践,展现出巨大的应用潜力。
2026-08-03 09:12
7月30日,国家能源局发展规划司副司长邢翼腾在新闻发布会上表示,上半年,国内油气供应总体平稳有序,电力供应保障基础进一步夯实,全国发电装机容量突破40亿千瓦,规模远超世界其他主要经济体。
2026-07-31 03:20
夏日贵阳,清风送爽,“中国数谷”又要迎来一场数字经济领域的年度盛会。8月28日至30日,2026中国国际大数据产业博览会将在此举办,目前各项筹备工作已进入全面冲刺阶段。
2026-07-31 03:40
“十五五”规划纲要围绕“加快高水平科技自立自强,引领发展新质生产力”作出专篇部署,明确提出“推动科技创新和产业创新深度融合”。
2026-07-31 03:40
“十五五”开局,第一个经济半年报发布,以高端制造、数智经济、现代服务为代表的新动能对经济增长的贡献超过40%。其中释放出鲜明信号,科技创新正加速赋能经济高质量发展。
2026-07-31 03:40
加载更多