漂亮！重新連接地球周圍的湍流磁場

太陽風實際上是來自太陽的帶電粒子——撞擊地球的保護性磁場時，衝擊波會產生旋轉、湍流的磁場，將行星籠罩並綿延數十萬英里。這些洶湧的能量都到哪裡去了？美國國家航空航天局的太空天氣任務之一，稱為磁層多尺度或MMS，發現了一種令人驚訝的方式，這種湍流能量被耗散：磁能量被轉換成高速噴射的電子，因為磁場斷開並重新連接。這一發現將幫助科學家們了解磁重連接在太空中所扮演的角色，例如，在太陽的外層大氣中加熱令人費解的太陽日冕，並加速超音速太陽風。

在這個可視化中，當超音速太陽風(黃色的霧)在地球磁場周圍流動(藍色波浪線)時，它形成了一個高度湍流的邊界層，稱為「磁鞘」(黃色漩渦區)。一份新的研究報告描述了磁鞘內的小型磁重連接的觀察，揭示了太陽外層和宇宙其他地方加熱的重要線索。圖片：NASA/GSFC

美國宇航局即將發射的帕克太陽探測任務將於今年夏天直接發射到太陽附件，以研究這些現象，並對地球附近的磁場重新連接有了新的認識。由於磁重連接發生在整個宇宙中，科學家們在我們的星球上了解到它——這更容易被測試——可以被應用到更遠的其他進程中。加州大學伯克利分校空間科學實驗室的高級研究員Tai Phan說：MMS發現了電子磁場的重新連接，這一新的過程與在地球周圍較為平靜的地區發生的標準磁場重新連接有很大的不同。這一發現幫助科學家們了解磁場是如何在整個宇宙中消耗能量的。

Phan是一篇論文的主要作者，該論文將於本周發表在《自然》雜誌上。在太空中到處都有湍流：在太陽上，在太陽風中，在星際介質中，在恆星周圍的星際介質中，在活躍的星系核中，在超新星遺迹的衝擊中，還有更多的。湍流磁場是不同的。在地球相對平靜的磁層中觀察到標準的磁重連接，它就像一個磁場，保護地球不受強烈的太陽風影響。在這個區域內，波動的磁場可以交叉、斷裂和重新連接，重新加入的磁場線就像一個橡皮筋一樣，在整個磁層中以極高的速度拋出離子化的原子。

離子噴射，電離的氫原子的電離層向相反的方向加速，加熱周圍的氣體並驅動太空天氣。一些帶電粒子被彙集到北極和南極，在那裡它們與大氣中的原子碰撞併產生極光。這一新過程發生在離地球表面更遠的地方，在一個湍流的區域，太陽風在地球周圍形成衝擊波，並急劇減速。地球的寬度是地球的兩倍，這個區域——磁鞘——是非常湍流的。磁鞘內的湍流包含大量的磁性能量，人們一直在爭論這種能量是如何消散的，而磁重連接是可能的過程之一。Phan和他的同事使用MMS的數據來證明新的電子磁重連接過程在湍流中發生較小的尺度，併產生電子而不是離子。

通過標準的重新連接，電子的運動速度比離子快40倍。現在有證據表明，重新連接確實會在磁鞘中消散紊流能量，但這是一種新的重新連接。磁場是否會太狂暴而無法重新連接？在磁層中，磁重連接已被觀察無數次，但始終處於平靜狀態。新事件發生在磁層的外邊界外的磁鞘中。在此之前，科學家不知道是否可以在那裡重新連接，因為等離子體在那個區域是高度混亂的。MMS發現它確實如此，但是它的規模比以前的宇宙飛船要小得多，它可以探測和理論預測。因為它只涉及電子，所以它仍然被科學家們隱藏起來，尋找標準磁重新連接的特徵信號——離子噴射。

倫敦帝國學院講師、論文的合著者喬納森·伊斯特伍德(Jonathan Eastwood)說：我們認為這是因為電子的速度快，而且容易參與，但緩慢而重的質子卻不能，總的來說，這一結果開闢了新的研究領域，進入了動蕩的重新連接領域。MMS由四個相同的航天器組成，它們在一個金字塔或四面體組中飛行，以研究在三維空間中圍繞地球的磁場重新連接。因為宇宙飛船飛得非常近，平均距離只有4米半，他們能夠觀察到以前沒人見過的現象。此外，MMS的儀器被設計成能以比以前的任務快100倍的速度捕捉數據。儘管MMS上的儀器非常快，但它們仍然太慢，無法捕捉到湍流的重新連接，這就需要觀察到由後退的磁場線所產生的狹窄的快速移動的粒子層。

與標準的重新連接相比，在重新連接的地方，大量的離子噴射出來，湍流的重新連接噴射出狹窄的電子射流，只有幾英里寬。但是MMS的科學家們能夠利用一種儀器的設計，即快速等離子體調查，來創造一種技術，使他們能夠在字裡行間讀取數據，並收集額外的數據點來解決飛機的問題。美國天主教大學(Catholic University of America)的研究生艾米·拉格(Amy Rager)說：論文的關鍵事件發生在45毫秒內。這將是有規律數據的一個數據點，開發這項技術，但我們可以用這種方法在該區域得到6到7個數據點，讓我們能夠理解正在發生的事情。有了這個新方法，MMS科學家們希望他們能夠梳理現有的數據集，找到更多的這些事件，以及潛在的其他意想不到的發現。

博科園-科學科普｜參考期刊：Nature｜來自：加州大學伯克利分校

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