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“风”与“磁”的博弈 |
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——太阳风与磁层相互作用研究成果综述 |
磁层保护地球免受太阳风直接吹袭图片来源：美国宇航局
本报记者 张双虎
近年来，由于航天、通信、导航等高新科技领域和国家安全的紧迫需求，空间天气研究日益受到关注。磁层位于地球空间的最外层，太阳风与磁层的相互作用是空间天气变化因果链中承上启下的关键环节，因此成为揭示地球空间天气基本规律的关键科学课题。
近年来，我国科学家在太阳风与磁层相互作用研究方面，特别是三维全球数值模拟中取得了重大进展。研发出高精度、低耗散的全球三维磁流体力学数值模型（PPMLR-MHD），使我国成为国际上少数拥有能自洽描述太阳风—磁层—电离层耦合系统数值能力的国家之一，在此基础上取得的系列创新成果也得到国际同行的好评。
“风”与“磁”的未解之谜
“太阳风的温度非常高，其中的粒子都不会呈中性。这些带电的等离子体像风一样吹向地球，但它们在磁场中运动时只能沿着磁力线方向运动，不会横跨磁力线。因此，磁层对地球能起到保护作用。”中科院空间科学与应用研究中心副主任王赤说，“要不然很多高能粒子、宇宙射线会直接进入地球空间。大气成分可能就不是现在的样子了，生命将无法存在。”
磁层恰如一件地球抵御太阳风的“外衣”。太阳风吹来时，会把地球磁场前面压缩，后面拉伸，形成长长的磁尾。但一般来讲，除南、北极区外，太阳风难以进入地球的大气层形成极光。
虽然大多数情况下，太阳风不能横跨地球磁力线进入地球空间，但太阳风却频频向地球磁层发起冲击。这些冲击并不是每一次都以太阳风败北告终。
“地球磁场的磁力线从地理南极指向地理北极，我们称其为北向。如果太阳风的磁力线正好和地球磁力线方向相反，即它是南向的，则双方会在地球磁层顶部发生磁重联（太阳风的磁力线和地球磁力线‘连’在一起）。这样就形成太阳风抵达地球的通道，其能量和质量就能传入地球空间。”王赤说，“但太阳风传播过程中行星际磁力线怎么才能形成南向的，现在还是未解之谜。”
数据分析和数值模拟成为关键
太阳风与磁层相互作用研究涉及太阳活动区的巨大能量和物质的突然释放，太阳风扰动在行星际空间的转播和演变，地球空间对行星际扰动的全球响应，以及地球空间环境的剧烈变化。
该研究的主要内容包括太阳风的质量、动量、能量和磁通量如何传输到地球空间，以及在地球空间的传输、转化和耗散的过程。地球空间环境对行星际扰动的响应过程和变化规律，以及地球空间天气预警和预报等关键科学与应用问题。理论分析、卫星和地面观测数据的分析和数值模拟是进行太阳风与磁层相互作用研究的主要手段。
“磁层顶离地面5万～7万公里。太阳风—磁层—电离层相互作用还形成了地球空间的大尺度电流体系。主要包括弓激波电流、磁层顶电流、环电流、等离子体片电流、场向电流和电离层电流等电流系统。”王赤说，“地球空间时变、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，数值模拟作为一个新的研究手段对地球空间的理论和应用研究产生了深刻影响。”
随着观测手段的不断丰富、观测范围的不断扩大和高性能计算能力的不断提高，数据分析和数值模拟工作逐渐成为太阳风与磁层相互作用研究的主体。我国科学家在三维全球数值模拟研究工作方面取得了重要进展。
为整体数值预报奠定基础
近年来，我国科学家在太阳风与磁层相互作用研究方面进展迅速，为建立空间天气端到端的整体数值预报模式奠定了基础，在地球同步轨道磁场对行星际激波的响应、弓激波向场向电流和越位电流供电的新现象等研究方面都取得了不俗的成果，并首次利用全球数值模拟再现磁层顶KH（Kelvin-Helmholtz，开尔文-赫姆霍兹）不稳定性。
“在‘双星计划’和国家自然科学基金的支持下，我国科学家完成了太阳风—磁层—电离层系统的全球三维磁流体力学数值模式，使我国成为国际上少数拥有能自洽描述太阳风—磁层—电离层耦合系统数值能力的国家之一。”王赤说。
该模式采用二级时间精度和三级空间精度的拉格朗日坐标下的逐段抛物线方法，实现太阳风—磁层的磁流体力学方程组的数值求解，通过沿地球偶极场力线的映射实现电离层和内磁层之间的电磁耦合。相关研究成果大大丰富了对太阳风与磁层相互作用领域的认识，得到国际同行的充分肯定。在2009年美国地球物理年会的“帕克讲座”中，美国宇航局戈达德飞行中心著名空间物理学家Len Burlaga多次引用我国发展的模型结果。
利用数值模拟，我国学者详细研究了地球磁场负反应区域的发生和发展过程，解释了这一反常现象。行星际激波与磁层相互作用的相关工作被多位同行引用。利用三维磁层数值模拟结果，研究者发现了弓激波对电离层持续供电的证据，对经典结构进行了补充和完善。在地球空间大尺度电流体系工作的相关文章发表过程中，美国《地球物理研究快报》（GRL）评审员评价说：“这是一个至今尚未被广泛报导的重要成果。”其中一位评审员还推荐将文章作为亮点文章。
利用数值模拟，我国学者首次得到了北向行星际磁场条件下的KHI（开尔文-赫姆霍兹不稳定性），得到了磁层顶KHI非线性演化的全球图像。全球模拟中得到的磁层顶KHI时间变化和空间变化的结果是此前二维和局域三维模型都无法给出的。
“磁层的三维全球磁流体力学数值模型是研究太阳风和地球磁层相互作用的有效途径。”王赤说，“发展趋势是实现高时空分辨率的数值模拟，研究中小尺度的空间结构和短时间尺度的物理现象，引入符合实际的物理过程，开始考虑热层对电离层的影响。进一步与观测数据相结合，并开始向业务化的空间天气预报模式转化，服务于日益增长的空间天气应用和保障业务。”
《科学时报》 (2011-11-14 A4 基金)
