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

  • 天津“117项目”进入塔冠施工阶段

  • “未来之城”科技点亮智慧生活

独家策划

推荐阅读
实际上本轮废旧手机回收价格上涨并非全品类普涨,不同品牌、型号、配置的废旧手机,涨幅存在显著差异。
2026-03-27 10:14
在博鳌亚洲论坛2026年年会上,一位特殊的嘉宾吸引了大家的目光——博鳌亚洲论坛史上首位数字人嘉宾ViviDora正式亮相。3月25日在博鳌亚洲论坛“人形机器人的进阶与飞跃”分论坛上拍摄的机器人。
2026-03-27 09:25
这些年,中国科技产出持续攀升——高被引论文数全球占比超30%,专利授权量连年位居世界第一。在技术经理人的“撮合”下,马鹏程团队成功在新疆、陕西、宁夏、内蒙古等地的煤化工企业完成前期中试。
2026-03-27 09:23
时间回到10年前,2016年11月15日凌晨3点,中国科学院青年创新促进会学术年会的酒店房间里,武延军与计算所研究员包云岗靠在各自的床头,越聊越兴奋。编译工具链、操作系统内核及关键基础组件等基础软件的适配,是指令集架构的生态底座,它们是所有硬件和应用软件绕不开的“基础设施”。
2026-03-27 09:35
3月26日,在中关村论坛年会—RISC-V生态科技论坛上,中国科学院正式公布在RISC-V关键技术突破、产业协同创新及人才培养领域的系列重要成果,集中发布“香山”开源处理器与“如意”原生操作系统两大重要成果,并正式启动下一代芯片与操作系统的联合研发工作。
2026-03-27 09:33
粤港澳大湾区核心枢纽工程狮子洋通道关键控制性工程——狮子洋大桥实现东、西主塔封顶,转入上部结构施工阶段。
2026-03-27 09:29
26日发布的《自然》增刊《2026自然指数—中国》显示,我国在自然指数中继续居于首位。与两年前发布的上一次《自然指数—中国》增刊(数据区间为2022年8月至2023年7月)相比,多个中国机构的全球排名显著提升。
2026-03-27 09:27
26日6时51分,我国在太原卫星发射中心使用长征二号丁运载火箭,成功将四维高景二号05、06星发射升空,卫星顺利进入预定轨道,发射任务取得圆满成功。
2026-03-27 09:25
全国科学技术名词审定委员会25日发布《关于发布试用人工智能领域名词token中文名“词元”的公告》,决定在综合考量社会各界意见建议的基础上,优先推荐“词元”作为人工智能领域名词token的中文名,并面向全社会发布试用。
2026-03-26 09:23
木卫二是一颗冰封的木星卫星,也是太阳系内最有希望孕育地外生命的地方。“欧罗巴快船”团队认为,他们将发现适宜生命生存的海洋,但除非探测器真正抵达、展开探测,没有人能给出确切的答案。
2026-03-26 09:24
作者:陆俊杰(南通大学副校长,江苏省习近平新时代中国特色社会主义思想研究中心特约研究员)  在促进创新链产业链资金链人才链深度融合、推动科技成果高效转化应用上探索新途径,是“十五五”时期江苏经济社会发展的重要目标任务。深耕“双高协同”不仅是破解科研创新与产业需求脱节的关键举措,更是落实创新驱动发展战略的重要布局。
2026-03-26 09:24
记者从中国发明协会获悉:在瑞士日内瓦举行的第五十一届日内瓦国际发明展上,中国代表团共获得90项金奖、95项银奖和52项铜奖。
2026-03-26 09:30
工业和信息化部25日公布,今年前2个月,我国通信业运行平稳,电信业务总量保持增长,5G、千兆光网、物联网等网络基础设施建设有序推进。截至2月末,5G基站总数达490.9万个,比上年末净增7万个,占移动基站总数的38%。
2026-03-26 09:24
3月25日,国家自然科学基金委员会在2026中关村论坛年会开幕式上发布2025年度“中国科学十大进展”,10项重大基础研究突破入选。界面调控新方法创制面向空天应用的高性能柔性叠层太阳能电池示意图 国家自然科学基金委员会供图 
2026-03-26 09:22
3月25日,以“创新与发展”为永久主题,由科技部、国家发展改革委、工业和信息化部、国务院国资委、中国科学院、中国工程院、中国科协和北京市政府共同主办的2026中关村论坛年会在北京拉开帷幕。
2026-03-26 09:21
记者24日从农业农村部获悉,农业农村部近日印发通知,督促指导各地依法严厉打击坑农害农、危害粮食安全和农产品质量安全违法行为,守护群众“舌尖上的安全”,持续夯实国家粮食安全根基。
2026-03-25 10:22
氢能兼具能源、资源、储能介质三重属性,氢能产业科技含量高、低碳属性强、发展空间大。通知提出到2030年,通过应用规模扩大,推动氢能应用技术、工艺、装备创新突破,实现燃料电池、电解槽、储运装置和材料等迭代升级,推动氢能成为新的经济增长点,支撑实现经济社会发展全面绿色转型。
2026-03-25 10:21
林间密密麻麻的印痕,正是东北虎豹国家公园生态环境越来越好的体现。在科技守护与不懈坚守下,东北虎豹国家公园的生态成果愈发显著:东北虎和东北豹的数量由公园试点初的27只和42只,增长至当前的70只和80只左右。
2026-03-25 10:11
国家卫生健康委和中国气象局24日联合发布首期全国花粉浓度预报服务提示,为公众提供精准防护指引。目前正值春季,以木本植物花粉传播为主,建议过敏人群及时关注本地花粉浓度和种类变化,必要时明确过敏原,提前做好防护和出行安排。
2026-03-25 10:04
自然资源部日前发布四川省冕宁县牦牛坪矿区稀土矿资源储量核实勘查项目成果,矿区新增稀土资源量966.6万吨。据悉,牦牛坪矿区稀土矿资源储量核实勘查项目还新增伴生萤石资源量2713.5万吨、伴生重晶石资源量3722.8万吨,均达到超大型规模,具有重大战略意义。
2026-03-25 10:00
加载更多