地球如何躲避太陽風暴襲擊？NASA四顆陣列衛星發現神秘磁重聯現象

隨著全球科技進步和信息化水平的提高，太陽風暴對地球的危害日益凸顯。而掌握太陽風暴襲擊地球的規律以及能量的流向是天文物理學界最大的難題之一。不過最近，NASA日地探測任務磁層多尺度（Magnetospheric Multiscale，MMS）太空氣象任務對我們深入了解地磁場提供了巨大幫助，讓我們明白了地球是如何在猛烈的太陽風暴中「存活」下來的…

太陽爆發所噴射的高能帶電粒子對衛星、無線電通信和地面高技術系統會產生重大影響。大多數人都知道地球外層存在球狀的磁場線籠，而事實上在地磁場外圍還存在一堆混亂的磁場。這個混亂的磁場區叫做磁鞘，有點像瀉湖平滑水流之外的白色水花，延伸到相當於地球直徑幾倍的太空里，從而形成弓形衝擊區域（弓激波）。

幾十年來，天文學家對地球籠狀磁場進行了大量研究，掌握了磁場線與帶電粒子間的作用規律，但由於磁鞘區域太過波動，研究存在許多困難，因此很難準確模擬它們是如何與太陽發射出的高能帶電粒子相互作用的規律。

在NASA的MMS任務中，四顆衛星以緊密的金字塔狀軌道運行，首次在毫秒級的時間尺度上繪製了磁鞘區域的電子密度圖，並詳細描繪出其行為。天文學家發現，遠離地球表面的電子湍流漩渦中存在亞原子尺度的變化，這種變化有效地驅散了陷入其扭曲的磁力場中的能量，當太陽風暴襲擊地球時，高能帶電粒子會減速並彼此聚集。從電子運動中易得到，在密集的磁場線中有大量的磁斷裂和磁重聯。

磁重聯是天體物理中非常重要的快速能量釋放過程，也是科學家至今知之甚少的神秘領域之一。磁重聯伴隨著磁場劇烈頻繁的斷裂和連接，並不斷釋放帶電粒子，將其引導至無形的管道中。解釋了當地球上充滿帶電粒子時地球保護磁層邊緣的混沌區域的行為，為理解類似的湍流熱點(如圍繞太陽的熱點)奠定了新的基礎。

MMS發現的電子磁重聯，是與地球籠狀磁場線中發生的標準磁重聯完全不同的新過程。掌握如此規模的磁重聯的可靠證據不僅有助於我們了解地球外圍空間，還可以更好地保護地球免遭太陽風暴的襲擊，並應用於一系列天文現象。例如，太陽最外層日冕的溫度高達100萬℃，比其內部高數百倍，至今無人提出令人信服的解釋。而掌握更多關於磁場在這個「湍流超熱區」的重聯過程，可能會獲得令人滿意的答案。

目前，NASA即將推出的太陽探測任務打算通過掃描恆星的日冕來收集相關的關鍵數據。

文/朱張航宇

參考文獻：Electron magnetic reconnection without ion coupling in Earth』s turbulent magnetosheath, Nature, 2018,volume 557, pages202–206.

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