磁层亚暴与磁层爆发性整体流的关系研究 日期:2006-12-11

200689月期间,欧洲空间局,美国今日科学,中国科学院,新华社,中央电视台和人民日报等多家媒体报道了中国科学院空间科学与应用研究中心空间天气学国家重点实验室曹晋滨研究员等人利用Cluster 星座卫星数据,在磁层亚暴物理过程领域取得的重要突破。其中欧洲空间局网站首页以“Cluster揭开地球极光之迷为题全面介绍了该项重要研究成果。美国、欧洲空间局、俄罗斯和中国一些著名科学家都向曹晋滨研究员表示祝贺。欧洲空间局科学部主任Southwood教授也高兴地向参加Cluster 星座计划的约400位来自各国的科学家发了一个祝贺信。美国宇航局NASA的太阳和空间物理实验室主任Slavin教授在其祝贺信中写到:“这是自从上个世纪90年代初期欧洲和美国科学家发现地球空间爆发性整体粒子流以来,有关磁层等离子体片对流和亚暴方面最重要的文章

  磁层亚暴是磁层中巨大能量贮存和突然释放的瞬变活动,大约每天发生34次,连续发生的磁层亚暴与强磁暴有密切关系。亚暴每次释放的能量大约相当于一次中等地震的能量,除了在地球极区空间环境的剧烈变化,还在地球电离层激发强烈扰动,影响GPS导航信号的接收,以及卫星和地球之间的通信联络。地球空间亚暴的关键问题就是亚暴是如何产生,并将如此巨大的物质和能量抛向地球。

  虽然早在80年代末期,由美国和欧洲科学家在地球空间磁尾发现向地球运动的带电粒子爆发性高速流。但是这些高速粒子流是如何产生的,以及它们与地球空间亚暴的关系一直是充满争议、没有解决的科学问题。例如,目前磁层亚暴中的近地中性线模型认为磁层亚暴是由磁尾重联产生的。因此支持亚暴NENL模型的国际著名空间物理学家Baumjohann 等人认为每一个亚暴都应该伴随着爆发性整体流。美国科学家加利福利亚大学Mcpherron教授认为爆发性整体流是联系所有空间和地面亚暴特征的唯一媒介。

  但是支持亚暴电流中断模型的美国科学家Lui et al.等人1998年发现并不是所有亚暴都伴随着重联产生的爆发性整体流,从而对近地重联模型提出了挑战。还有爆发性整体流对亚暴能量和质量输运的贡献问题也是充满了争议。一派科学家认为爆发性整体流对亚暴能量输运有重要贡献,另一派科学家则认为正好相反。由于缺乏详细观测上的证据,这些争议一直没有得到解决。

  曹晋滨等人在多项国家自然科学基金的资助下,利用欧洲空间局Cluster卫星的多点探测数据,首次证实了磁层亚暴与高速粒子流的对应关系。单点卫星(Cluster四颗卫星中的C1卫星)观测结果显示22%的亚暴过程中没有看到爆发性整体流,这与以往的观测结果类似。但多点卫星(Cluster中的C1C3C4)观测结果显示只有4.5%的亚暴过程中没有看见爆发性整体流,所以以往的单点卫星观测是不可靠的。亚暴与爆发性整体流具有对应关系。

  曹晋滨等人还发现高速粒子流的持续时间不是以往教科书上认为的10分钟,而是要比以往估计的要长将近一倍,将近20分钟,他们在亚暴过程中输运的能量和质量要比以往估计的高一倍。从而确立了这些高速粒子流在磁层亚暴过程中能量,质量和磁通量传输中的地位。这些重要结果解决了自从80年代末期发现爆发性高速粒子流以来,磁层亚暴理论中一直充满激烈争议的难题。

  地球上极光强度最大,变化最剧烈,也最壮观的区域并不是在与太阳风相连的极盖区,而是磁纬65°70°的椭圆形带状区域(空间物理上称之为极光椭圆区)。这个区域是与亚暴活动最激烈的地球磁尾等离子体片相连。爆发性整体流在向地球运动过程中,在靠近地球时会减速和偏转,产生惯性电流和地面极光。所以曹晋滨等人的成果除了对于空间天气研究具有重要意义外,还对于产生地球极光的磁尾高速粒子流问题给出了一个很好的回答。

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