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行星際激波作用下的地球磁層-地表磁場響應鏈研究


[日期:2015-04-27來源:   作者: 閱讀: 次]

行星際激波是在行星際中傳播的一種強間斷,當它作用于磁層后會在地球空間中引發擾動。深入研究磁層-電離層系統對行星際激波的響應過程在空間物理學研究及空間天氣預報方面均具有重要意義。

在國家自然科學基金重點項目(項目批準號:41231067)的支持下,空間天氣學國家重點實驗室(中國科學院空間科學與應用研究中心)王赤研究員領導下的研究小組發現在行星際激波作用下地球空間磁場變化的一個獨特現象。傳統觀點認為,行星際激波總是產生壓縮效果,因而當行星際激波轟擊地球時,總是會引起地球磁場的增強。然而,在某些特定區域,衛星卻觀測到了地球磁場減弱的現象。該研究小組就這一磁場減弱區域的產生機制、演化特性、對行星際條件的依賴性、及其造成的地球空間-地表磁場響應鏈現象進行深入的觀測和三維數值模擬研究,系列結果發表于地球物理學研究雜志(Journal of Geophysical Research)上。

諸如日冕物質拋射等太陽活動往往會在其前方驅動一個間斷面,即行星際激波。行星際激波會在很短的時間內造成太陽風參數的顯著變化,太陽風動壓急劇增加。當激波撞擊地球磁層(即由地磁場所形成的能夠阻止太陽風粒子直接進入地球空間環境的保護層)時,將會引發劇烈的擾動。

在激波的作用下,向陽面磁層磁場總是急劇增強,這一點已被多顆衛星觀測證實。然而在夜側磁層,同步軌道衛星卻有時會觀測到磁場的迅速下降。這與激波總是壓縮磁層進而造成磁場增強的傳統觀點不符。

事實上,在激波作用下,磁場減弱的負響應區和磁場增強的正響應區并存,這點已被衛星觀測和數值模擬所證實。當激波到達晨昏子午面時,它將會往背陽方向拖拽磁力線。然而在磁張力作用下的磁力線就像一個彈力繩一樣,會有一個恢復到其最初位置的趨勢。因此在這一區域激發出速度渦旋。磁力線與地向的速度擾動“凍結”在一起向地球方向運動,因而造成該區域內磁場的減弱。

同步軌道衛星所觀測到的磁場變化取決于負響應區初始形成時的位置。如果負響應區離地球較近從而可以覆蓋夜側同步軌道,衛星將記錄到磁場的迅速下降。然而如果負響應區在磁尾距離地球較遠的地方,衛星將觀測到磁場的增強。負響應區位置由上游太陽風動壓決定。上游動壓較大的行星際激波將會產生離地球較近的負響應區。

根據電磁學定律,磁場負響應區和正響應區的交界處是發電機區。該發電機區產生的電流在晨側流入電離層、昏側流出電離層,因而產生電離層電流。該電離層電流則將進一步引起地表磁場的主相脈沖。這就形成了行星際激波作用下的磁層-地表磁場響應鏈現象。近期,利用自主開發的全球三維磁流體力學模型,該研究小組首次揭示了行星際(上萬公里)–地球磁層(上千公里)電離層(上百公里)地面磁場對行星際激波鏈式響應的物理聯系圖像。

1 磁層-地表磁場響應鏈示意圖。黑色曲線為磁層頂,綠色圓球為地球。紅色和藍色區域分別為激波作用下赤道面內磁場的正、負響應區。由負響應區產生的電流用藍色曲線表示,該電流與電離層相連,因而產生電離層電流。電離層電流進一步引起地表磁場的變化,形成磁層-地表磁場響應鏈。


1 磁層-地表磁場響應鏈示意圖

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