作者:张双虎 来源:科学时报 发布时间:2011-10-24 8:07:54
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日地系统磁重联现象研究综览:“燃烧”的磁场

美国宇航局拟在戈达德空间飞行中心发射4个磁重联探测器。图片来自网络
 
□本报记者 张双虎
 
制造美丽的奥秘
 
在《美国国家地理》网站最近发布的一周精彩照片中,10月9日发生在冰岛上空的极光、哈勃太空望远镜最新公布的伽马射线蟹状星云位列其中。
 
美丽的极光是来自太阳或地球磁层的高能粒子和地球两极高层空气中的粒子相碰撞,造成气体粒子被电离并发光的现象,而促使极光和伽马射线等壮美景象产生的背后力量,和一个叫磁重联的过程有关。
 
事实上自然界许多最具爆发性的物理现象都与磁重联密切相关。这些爆发性物理现象包括太阳耀斑,来自太阳系外恒星的伽马射线暴等。
 
“太阳是很多空间天气事件的源头,源头发生太阳爆发之后,高超音速的日冕等离子体物质抛射产生的扰动会从太阳传输到地球,常引起亚爆、磁层扰动和一些对人类生活有较大影响的空间天气灾害,我们还可看到由高能粒子引起的极光等。”中国科学技术大学地球和空间科学学院教授陆全明对本报记者说,“磁重联在这些空间天气事件的源头起着重要的作用。”
 
近年来,科学家们通过卫星探测、地面观测和计算机模拟等手段,对太阳爆发等空间天气灾害性扰动事件进行研究,发现这一过程中释放的巨大能量来源于一个空间等离子体基本物理过程——磁场重联。
 
“太阳活动有两个主要过程,一是太阳耀斑,二是物质抛射。”南昌大学副校长邓晓华对本报记者说,“这些过程的能量从哪里来,其触发机制是什么?我们认为是聚集的磁场能量通过磁场重联释放出来的,就像磁场‘燃烧’一样,磁场能量转换成其他形式的能量,并加速粒子。”
 
重排的磁场
 
磁重联是空间物理和空间天气研究中一个十分重要的课题。人类要到太空中去,和平开发空间,就要能预测和预报太阳活动。因此,磁重联研究也是当前国际太阳物理,空间物理和等离子体物理的重点和热点研究方向。
 
“空间的磁场有不同的来源,不同来源的磁场拓扑结构不同,不同的拓扑结构交叉的地方就可能产生磁场重联。”陆全明说,“我们虽然看不到磁场,但通过磁重联,太阳扰动非常容易到达磁层内部。磁尾也会通过类似的重联过程,把太阳风输入的能量释放出来,形成亚暴。磁重联涉及电磁场变化、粒子流、等离子体不稳定性、极光等许多相关现象。”
 
“磁重联研究的重要性在于它有助于人们理解和认识太阳活动如何演变、如何触发和如何预报。”邓晓华说,“磁重联的不稳定性也发生在实验等离子体中,与如何实现可控核聚变密切相关。磁场重联涉及磁场拓扑结构的变化,目前磁重联的触发机制,粒子加速过程,不同尺度的耦合和波粒子相互作用等基本问题还未彻底弄清楚。”
 
日地空间是天然的实验室,人类可以通过卫星的遥测和局地观测并结合计算机模拟开展研究。因此,了解日地空间的磁重联现象有助于人们理解宇宙中发生的其他物理现象。
 
认识磁重联的本质
 
过去十年中,我国科学家结合卫星观测,数值模拟、理论研究,在磁场重联的拓扑结构和动力学过程,扩散区的结构和波粒子相互作用等方面取得一系列突破性进展,在国际空间界产生重大影响,获得高度评价。
 
在太阳物理方面, 通过空间全日面磁场、多波段电磁辐射和日冕仪观测,发现太阳活动中存在大尺度或全球尺度的磁场连接性和相互作用,发展了在向量磁场中证认三维磁零点的微分拓扑方法。基于这一方法,在一个超级活动区中重构了三维磁场的拓扑构架,并得到在耀斑和日冕物质抛射中拓扑塌缩的可能证据。
 
在行星际物理方面,长期以来传统观念认为行星际空间磁重联不会发生。上世纪90年代中期,我国学者提出磁重联可以普遍发生在行星际空间的小尺度相互作用区的观点,首次在磁云边界层中找到伴随磁重联产生高能电子的事件,发展了对行星际磁重联及其高能电子加速机制的新认识。在磁层物理方面,我国学者首次在日地空间发现了无碰撞磁场重联的观测证据,该研究涉及困扰天体物理、空间物理和等离子体物理近半个世纪有关磁能快速释放机制的重大难题,相关论文在《自然》杂志上发表后,受到国际空间界高度评价。世界空间物理泰斗、太阳风的发现者E.N. Parker教授用亲笔信表示祝贺和赞赏。该文被《自然》、《科学》等引用101次。
 
我国首次从观测上确认了磁零点的存在,并通过局域磁场重构予以再现;首次获得零点对和Separator的观测证据;探测到零点附近电子被捕获并获得加速的特征。欧空局科学部将三维磁零点的观测作为Top Story 作了报道:“一个由中国科学家领导的国际小组……揭示了这一磁零点基本的拓扑和物理特性。这一科学上的突破,是一个杰出的成就”,“是Cluster计划的一个主要成果”。2009年和2010年欧空局两次列举Cluster探测5大成就,该成果均位于榜首。
 
去年12月举行的国家自然科学基金空间天气重大科学基金项目中期汇报会上,中科院院士魏奉思建议我国进行磁重联研究的学者联合起来,团队作战,把磁重联放在日地整体系统的不同尺度上开展研究,形成亮点和特色研究方向。
 
“磁场重联发生在日地系统中,太阳大气中的磁重联、行星际空间的磁重联、地球磁层空间的磁重联。这几个空间区域的物理条件不同,研究尺度不同,很多物理参数差了六七个数量级,磁重联也各显特色。从宏观和全面的视角审视不同环境的磁重联,有助于我们更深刻地认识磁重联的本质,在其本质的认识上取得突破。”魏奉思院士说。
 
《科学时报》 (2011-10-24 A4 基金)
 
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