科学家研究磁层中的等离子龙卷风

时间：2021-07-16 17:52:04 来源：

边界的模拟显示了蓝色显示的低密度等离子体区域与红色显示的高密度等离子体区域如何混合，形成了湍流的等离子体龙卷风。学分：NASA /中村琢磨

行星际空间几乎不平静。来自太阳以及来自太阳系以外的高能带电粒子不断地掠过。这些可能会损坏卫星并危及宇航员的健康，但幸运的是，为了保护地球上的生命，行星被其磁场产生的保护性磁泡覆盖。这种称为磁层的气泡会偏转大多数有害的高能粒子。

尽管如此，还是有一些偷偷摸摸的经历-弄清楚这是如何发生的最前沿是NASA的磁层多尺度任务或MMS。新的结果表明，空间等离子体的龙卷风状漩涡形成了一个边界动荡，足以使粒子滑入地球附近的空间。

MMS于2015年发射，使用四架相同的航天器以金字塔形式飞行，以三维视角观察了地球周围的磁环境。该任务通过关注磁重新连接的起因和结果来研究粒子如何转移到磁层中。磁爆炸是一种爆炸性事件，磁场线交叉，将太阳风中的电子和离子发射到磁层中。

通过将MMS的观测结果与新型3D计算机模拟相结合，科学家们首次能够研究磁层边界发生的小规模物理现象。该结果最近发表在《自然通讯》上的一篇论文中，对于了解太阳风有时是如何进入地球的磁层的，这可能会干扰卫星和GPS通信产生了关键作用。

在磁层内部，空间等离子体（带电粒子，如电子和离子）的密度远低于盛行太阳风的外部等离子体的密度。当两个不同密度区域以不同速率移动时，称为磁绝顶的边界变得不稳定。巨大的漩涡（称为开尔文·亥姆霍兹波）沿着边缘形成，就像海浪一样。曾经光滑的边界变得纠结和挤压，形成等离子龙卷风，这些龙卷风充当了将带电粒子从太阳风传输到磁层的舷窗。

凯尔文·亥姆霍兹（Kelvin Helmholtz）波在整个宇宙中都被发现，而这两种密度不同的物质相互移动越过任何地方。可以在地球周围的云层中看到它们，甚至在我们太阳系的其他行星大气中也可以看到它们。

使用在田纳西州橡树岭橡树岭国家实验室的泰坦超级计算机上进行的这种混合的大规模计算机模拟，并将它们与MMS穿过太空中这样一个区域所进行的观察进行比较，科学家能够证明：龙卷风在输送带电粒子方面非常有效-比以前想象的要强大得多。模拟和观测之间的比较使科学家能够测量龙卷风的确切尺寸。他们发现这些龙卷风既大又小-到达9300英里的龙卷风产生了60至90英里宽，超过125英里长的较小的龙卷风。

MMS最近进入了一个新轨道，在地球的另一侧飞行，远离太阳。在这里，它将继续研究磁重联，但将重点放在长尾磁尾中的能量和粒子如何在地球磁层中相互作用。了解地球附近的这种基本过程有助于提高我们对周围空间的态势感知，因为随着我们所依赖的卫星和通信系统越来越多地填充了至关重要的信息。

出版物：T. K. M. Nakamura等人，“在无碰撞磁层等离子体中由涡流引起的重新连接引起的湍流传质”，《自然通讯》第8期，文章编号：1582（2017）doi：10.1038 / s41467-017-01579-0

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