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地質地球所研究發現水星空間大尺度磁通量繩與形成機理

發布時間:2020/7/23編輯:Ma Liang 人氣:3208



阿儀網 實驗室動態】在太陽系內稟偶極磁場行星中,水星的磁場最弱,其磁場強度在赤道表面比地磁場低兩個數量級。水星弱磁場受強太陽風驅動形成太陽系中最活躍、尺度最小的行星磁層(圖1)。其輻射帶、電離層、等離子層及大氣層等明顯消失,由此導致行星空間環境顯著區別于地球。研究水星磁層動力學過程及空間環境特征是認識太陽風向弱磁層空間傳輸能量和物質一般規律的重要途徑,同時對理解地球空間、認知電離層和磁層尺度對空間環境影響等具有重要意義。

  類似地球,磁場重聯是太陽風驅動水星磁層的重要機制。太陽風磁場通量通過向陽側磁層頂磁重聯被傳輸進入磁層;磁尾磁重聯將磁能進行釋放,其中一部分通過對流回到向陽側磁層頂,形成一種名為“Dungey Cycle”的空間等離子體大尺度對流循環,從而導致行星空間與行星際物質和能量的交換運輸。在地球空間,該循環的周期為1-3小時,但是在水星空間周期為2-3分鐘。當前關于太陽風如何在分鐘時間尺度內在水星磁層進行能量快速儲存和釋放,以及釋放的形式和過程是否類似于地球等基本問題仍然不清楚。

  磁通量繩或磁島是磁重聯的重要產物,普遍存在于行星磁層空間。“信使”號衛星的長期探測顯示水星磁層充滿大量的磁通量繩結構。這些磁結構觀測持續時間在1秒、發生周期在10秒左右,空間尺度和離子回旋半徑相當。中國科學院地質與地球物理研究所地球與行星物理院重點實驗室副研究員鐘俊及合作者,利用“信使”號衛星的數據,對水星空間磁重聯物理過程進行了系統性觀測研究,發現了水星空間超大磁通量繩的存在證據并提出了相應的形成機理。這些大尺度磁通量繩或磁島空間尺度與水星直徑相當,顯著區別于之前普遍探測到的離子尺度結構,在磁層能量傳輸和行星物質損失等過程中可能起著至關重要的作用。

  在磁層頂,磁通量繩結構一般稱作磁通量傳輸事件(FTEs),是連接太陽風和磁層的重要通道。地球磁層頂FTEs已被廣泛地進行觀測研究,多種理論模型被提出用于解釋其形成機制。通過行星磁層尺度類比,水星空間大尺度FTEs對應于地球磁層10-15地球半徑的空間尺度,現有的FTEs理論模型很難解釋其形成。通過對水星磁層頂重聯相關的事例進行觀測分析,研究人員提出了大尺度FTEs形成機理,即眾多離子尺度通量繩的相互作用、多步驟合并(圖2a)。該過程區別于被普遍接受的多磁重聯線的形成機制,反映了不同行星磁層空間尺度導致磁重聯及磁通量繩的形成與演化過程的差異性。

  研究人員發現在近磁尾同樣可以形成超大磁通量繩或磁島結構。然而不同太陽風條件下其形成機理也不同。在太陽風平靜時期,可以形成南北尺度大于水星直徑、觀測持續時間甚至超過Dungey循環時間尺度的等離子體團(Plasmoid)結構。等離子體團一般被認為是一種特殊的大尺度磁島結構。通過分析推測,這些等離子體團可能是由近磁尾和遠磁尾重聯產生,近磁尾高密度等離子體及大量重離子的存在對其形成起著重要作用(圖2b)。該發現表明,水星磁尾除了以大量的、離子尺度的磁通量管的形式進行能量快速、間歇性的釋放外,大尺度等離子體團的形成也是其能量釋放的重要形式。在極端太陽活動下,一般認為磁層動力學過程會更加劇烈,如發生強烈的地磁暴和亞暴等活動。然而,研究發現在ICME驅動水星磁層時,磁尾尾瓣區域磁場卻反常呈現準穩態特征。此時磁尾動力學過程由多X線重聯主導,多磁島合并形成超大磁通量繩結構,將磁尾能量周期性釋放(圖2c)。該過程顯著區別于當前的主流觀點,類似地球亞暴相聯系的“裝-卸載”過程。

  系列研究給出了水星磁層動力學過程的新物理圖像,指明了水星磁層動力學過程及其對太陽風響應模式的多樣性。由于水星沒有電離層和明顯的大氣層,磁層動力學過程直接影響著太陽風向星體表面傳遞能量和動量,通過離子濺射、電荷交換等物理化學反應過程,從而改變風化層的物理化學特性、外逸層環境乃至整個行星空間環境的變化。歐空局和日本聯合的雙星計劃BepiColombo已于2018年發射,預計明年開始飛越水星,2025年入軌,將開啟水星空間環境的高質量、多儀器、太陽風-磁層-外逸層多區域的聯合探測。磁重聯及磁通量繩動力學過程,以及如何影響著水星全球性空間環境等一系列科學問題將有待于進一步深入認識。

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