对无碰撞等离子体冲击波的新认识，地球与太阳风的相互作用

太阳风。

当地球绕太阳运行时，它穿过一系列快速移动的粒子，这些粒子会干扰卫星和全球定位系统。现在，美国能源部（DOE）普林斯顿等离子体物理实验室（PPPL）和普林斯顿大学的一组科学家再现了在太空中发生的过程，以加深对地球遇到这种太阳风时会发生什么的理解。

该小组使用计算机模拟来模拟等离子体射流的运动，该物质由电子和原子核组成的带电状态，这些原子和原子核构成了天空中所有的恒星，包括我们的太阳。从相对较小的星到巨大的恒星爆炸（称为超新星），许多宇宙事件都会产生等离子体射流。当快速移动的等离子流穿过存在于空间中的较慢的等离子流时，会产生所谓的无碰撞冲击波。

当地球在太阳风中移动时，也会发生这些冲击，并且会影响风如何旋入地球磁层及其周围，这是延伸到太空的保护性磁屏蔽层。了解等离子体冲击波可以帮助科学家预测当太阳风旋入磁层时所形成的太空天气，并使研究人员能够保护允许人们在全球范围内进行交流的卫星。

太阳与地球互动的艺术家渲染。

模拟显示了几个明显的迹象，表明何时形成电击，包括电击的特征，电击形成的三个阶段以及可能误认为电击的现象。普林斯顿大学天体物理学系副研究员德里克·舍弗（Derek Schaeffer）表示：“通过将震荡与其他现象区分开来，科学家们可以确信自己在实验中看到的就是他们想要在太空中进行的研究。”领导了PPPL研究团队。该发现发表在《等离子物理学》上，该论文是在此之前和此处所报道的后续研究的后续报告。

太空中发生的等离子体冲击，就像地球逆着太阳风行进所产生的等离子体冲击，类似于超音速喷气飞机在地球大气层中产生的冲击波。在这两种情况下，快速移动的物料都会遇到慢速或静止的物料，因此必须迅速改变其速度，从而形成漩涡，涡流和湍流区域。

PPPL物理学家德里克·谢弗（Derek Schaeffer）在喷气式飞机的图像前，产生了大气冲击波。

但是在太空中，快速和慢速等离子体粒子之间会发生相互作用，而粒子之间不会相互接触。Schaeffer说：“必须有其他办法推动这种冲击的形成，就像等离子粒子相互电吸引或排斥一样。”“无论如何，这种机制还没有被完全理解。”

为了加深他们的了解，物理学家在实验室进行了等离子体实验，以密切监视条件并精确测量条件。相反，航天器进行的测量不容易重复进行，只能采样一小部分等离子体。然后，计算机模拟可以帮助物理学家解释他们的实验室数据。

如今，大多数实验室等离子体冲击是通过称为等离子体活塞的机制形成的。为了制造活塞，科学家将激光照射在一个小的目标上。激光会引起目标表面的少量热量变热，变成等离子体，并通过周围移动缓慢的等离子体向外移动。

Schaeffer及其同事通过对该过程进行建模来进行仿真。舍弗说：“想想在快速流动的溪流中间有一块巨石。”“水将直达巨石的前部，但不会完全到达。快动作和零（直立）动作之间的过渡区域是冲击。”

模拟结果将有助于物理学家将天体等离子体冲击波与实验室实验中出现的其他情况区分开。Schaeffer说：“在激光等离子体实验中，您可能会观察到大量的加热和压缩，并认为它们是电击的迹象。”“但是，我们对冲击的开始阶段还知之甚少，仅凭理论就无法了解。对于这些类型的激光实验，我们必须指出如何辨别冲击与激光驱动等离子体的膨胀之间的区别。”

将来，研究人员旨在通过增加更多细节并使等离子体密度和温度降低均匀性来使仿真更加逼真。他们还希望进行实验以确定通过模拟预测的现象是否实际上可以在物理设备中发生。舍弗说：“我们希望将我们在本文中讨论的想法进行检验。”

参考：D. B. Schaeffer，W。Fox，J。Matteucci，K。V. Lezhnin，A。Bhattacharjee和K. Germaschewski的“运动模拟在磁化实验室等离子体中的活塞驱动的无碰撞冲击”，2020年4月7日，等离子体物理。DOI：
10.1063/1.5123229

这项研究得到了美国能源部科学办公室和美国国家大气与航天局的支持。仿真是在橡树岭领导力计算设施（美国能源部橡树岭国家实验室的用户设施）的Titan超级计算机上进行的。