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编者按:习近平总书记指出:“科技创新广度显著加大,宏观世界大至天体运行、星系演化、宇宙起源,微观世界小至基因编辑、粒子结构、量子调控,都是当今世界科技发展的最前沿。科技创新深度显著加深,深空探测成为科技竞争的制高点,深海、深地探测为人类认识自然不断拓展新的视野。”深空、深海、深地、地球系统(三深一系统),是满足人类大的好奇心的9570官方金沙登录app下载领域,而与之相关的对地对空探测则是关键技术前沿。随着我国航天强国计划(如2028年火星样品返回、小行星探测等)的实施,行星科学必将成为下一个新兴的科技方向。因此,9570官方金沙入口登录在新一轮“双一流”学科规划中,进行了大力度的学科整合,将原来的3个一级学科整合到“地球与行星科学”一个学科领域。围绕以上背景,我们推出“北京大学的行星9570官方金沙登录app下载”系列报道,结合学院近期在行星科学领域取得的科研成果和研究团队,向全校师生介绍“行星科学”这样一个古老而又年轻、充满魅力的学科。

磁暴是太阳风与磁层相互作用所引发的磁场扰动,它是众多空间天气事件中最具危害性的一种。一场大规模的磁暴(如1859年的卡灵顿事件)会对人类现代科技文明,包括航天器、供电线路、输油管道以及通讯系统,造成数以万亿计的损失。今年2月初(2月3—5日), 一次地球磁暴过程使得SpaceX 发射的49颗卫星中的40颗卫星毁坏。Chapman和Ferraro最早对这一现象做出物理上的解释:引发磁暴的是空间中的环电流,它由环绕地球运动的高能带电粒子所驱动。目前,部分行星(土星、木星)磁层中的数千到数十万电子伏特的捕获离子所组成的环电流的存在已经在观测中得到了证实。因此,与之相关的磁暴现象能否发生在太阳系,乃至整个宇宙中其他行星的磁层中成为目前极具研究价值的课题。

那么,水星磁层是否存在环电流和磁暴呢?水星作为太阳系中距离太阳最近也是最小的一颗行星,拥有和地球类似的内禀磁场,可以抵御太阳风的冲击并形成磁层。然而,由于水星的磁场强度只有不到地球磁场的百分之一,它所支撑的磁层在空间尺度上要比地球磁层小数十倍(如图1所示)。此外,水星的大气层在太阳的炙烤之下也近乎逃逸殆尽,无法提供显著的电离层。悬殊的尺度差异以及电离层的缺失使得水星在比较行星研究中具有独特的地位。

图1. 水星磁层示意图

尽管水星磁层中存在着诸多与地球磁层极为相似的动力学过程,如磁层亚暴、磁尾粒子向内磁层的注入等,但此前学界普遍认为水星磁层过小,无法容纳被稳定捕获的能量粒子,因此倾向于认为水星不存在环电流和磁暴。

图2. 水星磁层环电流测试质子模拟轨迹(a)和观测分布图(b-d)。(a):图中蓝色和红色细线为从磁尾出发的能量为5keV、投掷角为130度/50度的测试质子的运动轨迹,白线为磁力线。(b-d):信使号观测到的能量大于4.7 keV的质子通量在日夜面、赤道面和子午面的统计分布图。图中模拟和观测都限制在了中等太阳风动压的情形下以确保统计叠加的可靠性。

近期,9570官方金沙入口登录宗秋刚教授团队综合分析了美国国家航空航天局信使号(MESSENGER)飞船为期五年的观测数据。得益于信使号飞船优越的仪器设备、轨道设计和调整规划,水星磁层中的能量粒子具有高时空覆盖率,有利于研究水星能量粒子的全空间分布特征。统计结果清晰地呈现出环电流这一结构。观测显示,水星的环电流在向阳面呈分叉状(即环电流在向阳面出现在中高纬区域而非赤道处,如图2b,2c所示),与地球的赤道环电流在形态上有很大差异。这一奇特的形态与试验粒子模拟结果高度吻合。这主要是由于在强太阳风压缩水星磁层的条件下,质子经历Shabansky轨道导致的(如图2a所示)。这些观测结果为水星磁层中环电流的存在提供了确凿证据,终结了持续半个多世纪的谜题。目前观测到的水星环电流质子总能量的动态范围为2×109焦耳到5×1010焦耳,巨大的变化幅度足以支持磁暴活动的发生。根据推算,环电流所导致的地磁场下降在0.2 nT 到 3.5 nT之间,同比例相当于地球上Dst(Disturbance storm time)指数为约30 nT 到500 nT的大磁暴。相关工作以“Observational evidence of ring current in the magnetosphere of Mercury”为题发表于《自然:通讯》。

此外,信使号在临近任务结束、撞击水星之前,从磁场的角度为水星磁暴的存在提供了关键性的观测证据。这一阶段的卫星轨道距离水星表面足够近,为探测地球以外的磁暴现象提供了绝佳的机会。在一次日冕物质抛射事件经过水星期间,利用一套成熟的天基地磁扰动指数算法分析了水星磁场在此期间的演化过程。这一演化过程与地球上的磁暴高度相似,包含了磁场突然下降的主相以及磁场缓慢增长回归到正常水平的恢复相。主相期间的磁场下降峰值超过60 nT,接近水星内禀磁场的三分之一。这一观测说明,尽管水星磁层与地球磁层差异悬殊,与地球上相似、甚至更为剧烈的磁暴现象依然可以在水星上发生,该工作发表于《中国科学:技术科学》,题为“Magnetic storms in Mercury’s magnetosphere”。

宗秋刚教授课题组近年来在行星磁层物理学领域潜精研思,笔耕不辍。课题组对水星磁层粒子动力学进行了观测、模拟、理论多面一体的研究,发现了水星磁尾质子的非绝热加速、输运及损失行为。这一特征与水星磁层小而快的特征相符,为磁层对流循环、内磁层粒子供给等现象提供了更深刻的理解。同时,宗秋刚团队还对巨行星的辐射带、磁盘等结构进行了形态学和动力学方面的研究。组内研究发现在巨行星上,全球尺度对流电场加速机制是控制电子辐射带行为的重要机制之一,其绝热加速电子的效率比在地球上高,这是巨行星快速旋转、内禀磁场强等的特质导致的。课题组利用朱诺(JUNO)卫星的数据对木星磁盘进行了统计建模工作,系统地描述了木星磁盘的几何形态、磁场位形和高能粒子分布,提供了理解木星磁层基本结构的基础,可以作为后续的木星探测任务的参考。相关系列成果发表在The Astrophysical Journal,Geophysical Research Letters,JGR:Space Physics上。此外,宗秋刚课题组也在极力推进日球层边界探测计划,试图利用中性原子成像技术研究星际物质入侵、异常宇宙线起源等日球层物理核心问题。


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