APJL:水星空間大尺度磁通量繩的發現與形成機理

2020-12-24 騰訊網

鍾俊等-APJL:水星空間大尺度磁通量繩的發現與形成機理

在太陽系內稟偶極磁場行星中，水星的磁場最弱，其磁場強度在赤道表面比地磁場低兩個數量級。水星弱磁場受強太陽風驅動形成太陽系中最活躍、尺度最小的行星磁層（圖1）。其輻射帶、電離層、等離子層及大氣層等明顯消失，由此導致行星空間環境顯著區別於地球。研究水星磁層動力學過程及空間環境特徵是認識太陽風向弱磁層空間傳輸能量和物質一般規律的重要途徑，同時對理解地球空間、認知電離層和磁層尺度對空間環境影響等都具有重要意義。

圖1 水星與地球空間環境比較

類似地球，磁場重聯是太陽風驅動水星磁層的重要機制。太陽風磁場通量通過向陽側磁層頂磁重聯被傳輸進入磁層；磁尾磁重聯將磁能進行釋放，其中一部分通過對流回到向陽側磁層頂，形成一種名為「Dungey Cycle」的空間等離子體大尺度對流循環，從而導致行星空間與行星際物質和能量的交換運輸。在地球空間，該循環的周期為1-3小時，但是在水星空間周期為2-3分鐘。當前關於太陽風如何在分鐘時間尺度內在水星磁層進行能量快速儲存和釋放，以及釋放的形式和過程是否類似於地球等基本問題仍然不清楚。

磁通量繩或磁島是磁重聯的重要產物，普遍存在於行星磁層空間。「信使」號衛星的長期探測顯示水星磁層充滿大量的磁通量繩結構。這些磁結構觀測持續時間在1秒、發生周期在10秒左右，空間尺度和離子迴旋半徑相當。中科院地質與地球物理所地球與行星物理院重點實驗室的鐘俊副研究員及合作者，利用「信使」號衛星的數據，對水星空間磁重聯物理過程進行了系統性觀測研究，發現了水星空間超大磁通量繩的存在證據並提出了相應的形成機理。這些大尺度磁通量繩或磁島空間尺度與水星直徑相當，顯著區別於之前普遍探測到的離子尺度結構，在磁層能量傳輸和行星物質損失等過程中可能起著至關重要的作用。

在磁層頂，磁通量繩結構一般稱作磁通量傳輸事件（FTEs），是連接太陽風和磁層的重要通道。地球磁層頂FTEs已被廣泛地進行觀測研究，多種理論模型被提出用於解釋其形成機制。通過行星磁層尺度類比，水星空間大尺度FTEs對應於地球磁層10-15地球半徑的空間尺度，現有的FTEs理論模型很難解釋其形成。通過對水星磁層頂重聯相關的事例進行觀測分析，他們提出了大尺度FTEs形成機理，即眾多離子尺度通量繩的相互作用、多步驟合併（圖2a）。該過程區別於被普遍接受的多磁重聯線的形成機制，反映了不同行星磁層空間尺度導致磁重聯及磁通量繩的形成與演化過程的差異性。

圖2 水星空間大尺度磁通量繩結構形成過程。（a）眾多離子尺度磁通量繩相互作用、多步驟合併形成FTEs（Zhong et al., 2020a）;（b）近磁尾和遠磁尾重聯形成磁島結構（Zhong et al., 2019）；（c）極端太陽風條件下磁尾電流片撕裂模不穩定性形成多重聯線及離子尺度磁島鏈，通過眾多磁島合併形成大尺度磁通量繩，並進行周期性釋放（Zhong et al., 2020b）

他們發現在近磁尾同樣可以形成超大磁通量繩或磁島結構。然而不同太陽風條件下其形成機理也不同。在太陽風平靜時期，可以形成南北尺度大於水星直徑、觀測持續時間甚至超過Dungey循環時間尺度的等離子體團（Plasmoid）結構。等離子體團一般被認為是一種特殊的大尺度磁島結構。通過分析推測這些等離子體團可能是由近磁尾和遠磁尾重聯產生，近磁尾高密度等離子體及大量重離子的存在對其形成起著重要的作用（圖2b）。該發現表明，水星磁尾除了以大量的、離子尺度的磁通量管的形式進行能量快速、間歇性的釋放外，大尺度等離子體團的形成也是其能量釋放的一種重要形式。在極端太陽活動下，一般認為磁層動力學過程會更加劇烈，如發生強烈的地磁暴和亞暴等活動。然而，他們發現在ICME驅動水星磁層時，磁尾尾瓣區域磁場卻反常呈現準穩態特徵。此時磁尾動力學過程由多X線重聯主導，多磁島合併形成超大磁通量繩結構，將磁尾能量周期性釋放（圖2c）。該過程顯著區別於當前的主流觀點——類似地球亞暴相聯繫的「裝-卸載」過程。

系列研究給出了水星磁層動力學過程的新物理圖像，指明了水星磁層動力學過程及其對太陽風響應模式的多樣性。由於水星沒有電離層和明顯的大氣層，磁層動力學過程直接影響著太陽風向星體表面傳遞能量和動量，通過離子濺射、電荷交換等物理化學反應過程，從而改變風化層的物理化學特性、外逸層環境乃至整個行星空間環境的變化。歐空局和日本聯合的雙星計劃BepiColombo已於2018年發射，預計明年開始飛越水星，2025年入軌，將開啟水星空間環境的高質量、多儀器、太陽風-磁層-外逸層多區域的聯合探測。磁重聯及磁通量繩動力學過程，以及如何影響著水星全球性空間環境等一系列科學問題將有待於進一步深入認識。

系列研究成果發表於國際權威學術期刊APJL。

1.Zhong J, Zong Q G, Wei Y, et al. MESSENGER Observations of Giant Plasmoids in Mercury’s Magnetotail[J]. The Astrophysical Journal Letters, 2019, 886(2): L32. DOI: 10.3847/2041-8213/ab5650）

2.Zhong J, Wei Y, Lee L C, et al. Formation of Macroscale Flux Transfer Events at Mercury[J]. The Astrophysical Journal Letters, 2020, 893(1): L18. DOI: 10.3847/2041-8213/ab8566

3.Zhong J, Lee L C, Wang X G, et al. Multiple X-line Reconnection Observed in Mercury’s Magnetotail Driven by an Interplanetary Coronal Mass Ejection[J]. The Astrophysical Journal Letters, 2020, 893(1): L11. DOI: 10.3847/2041-8213/ab

美編：徐海潮

校對：張 崧

相關焦點

  • 電磁學基礎:磁通量
    ③.多匝線圈的磁通量多匝線圈內磁通量的大小與線圈匝數無關，因為不論線圈匝數為多少，穿過線圈的磁感線條數相同，而磁感線條數可表示磁通量的大小。磁通量變化的實驗實物圖④.合磁通量若某個平面內有不同方向和強弱的磁場共同存在，當計算穿過這個平面的磁通量時，先規定某個方向的磁通量為正，反方向的磁通量為負，平面內各個方向的磁通量的代數和等於穿過這個平面內的合磁通量
  • 科遠智慧:考慮將機理模型形成完善的工業APP進行推廣
    好的DCS項目是需要工程師大量投入的，但用戶的普遍感受是DCS組態的優化空間很大（不是特指貴公司）。公司作為一個充分參與市場化競爭的自動化公司，認為如何能在自動化公司與用戶之間提高共贏的質量？如何在自動化公司之間形成良性競爭？
  • 水星疑似發現生命,難道太陽系內圈的四顆行星,都存在過生命嗎?
    根據現有的數據，科學家們推測，火星上存在過生命的可能性是非常大的；後來科學家們又在金星上發現了過量的磷化氫，這意味著金星上也極有可能存在過生命；最近，科學家們又在水星上發現了生命可能存在過的證據。這裡我們不禁要發出疑問，難道太陽系內圈的四顆非氣態行星上都存在過生命嗎？
  • 水星曾經擁有生命的成分嗎?揮發物可能曾經使水星表面破裂
    現在，根據一種新的理論，水星破裂的「混亂地形」可能是由表面下的揮發物（容易從氣體躍遷為液體或固體的元素和化合物）形成的。揮發物是一種包含水在內的化學物質，對於激發和維持生命至關重要，正如我們在地球上所知的那樣。因此，它們在水星上的潛在存在是很有趣的。
  • 太陽系——水星
    這裡我們要講述的是類地行星的形成，46億年前 在太陽誕生後的最初數百萬年裡 它的周圍還沒有行星出現，只有無盡的塵埃和氣體 這些是太陽誕生是殘餘的材料，經過上千萬年的時間，這些塵埃開始慢慢結合聚集，形成了最早的巖石，最終 這些巖石在引力作用下創造出了行星的胚胎。最後，催生出了距離太陽最近的4顆行星，水星 金星 地球 火星（類地行星，這以距太陽由近到遠排列）。
  • 水星家紡好嗎?水星家紡歐式大提花四件套、加厚重力被試用測評
    水星家紡 歐式大提花四件套真人試用測評一款時尚優雅的四件套可以使我們的家變得更加溫馨愜意。珠珠非常鍾愛四件套，家裡的床都要換上四件套，才感到好看又舒心。水星家紡是非常著名的品牌，家裡也有使用過這個品牌的床上用品。質量不錯，做工相當好是珠珠對它的鐘愛。
  • 水星地殼比任何人想的都要薄?
    亞利桑那大學月球和行星實驗室的Michael Sori認為，水星的地殼只有16英裡(26公裡)厚，密度比鋁還大，新估計支持了地殼主要是由火山活動形成的理論。Sori試圖確定在水星上的「地殼均衡說」是什麼類型。重力總是試圖把行星表面拉成一個光滑的球體，所以一定有什麼東西可以抵消這種拉力，以防止世界的高峰和低谷融化，Isostasy描述了「某物」背後的過程。
  • 水星終於揭開神秘「黑紗」?
    水星的表面和月球表面十分類似，按理來說應該更能反射太陽光，但新隕石坑形成時攪起的水星表面塵埃，反射的光線似乎只有月球的三分之二。這顆暗色星球表面，一定有某種物質吸收光線，但直到人類才弄清楚這種物質是什麼。在前人研究的基礎上，約翰·霍普金斯大學應用物理實驗室的一個研究團隊證實了一種假設，即水星的光線是被其表面厚厚的碳塵吞噬掉了。
  • 水星怎麼變成了小煤球?
    水星怎麼變成了小煤球？從太空中看水星，水星的表面是黃白色的，但事實上，水星真實的顏色呈灰黑色。與太陽系的其他天體相比，水星簡直就是個小黑炭，其表面顏色特別深，反射陽光的能力很弱。水星與月球一樣是沒有大氣層的固態天體，但其表面比月球還要黑得多。通常情況下，微小隕石和太陽風的轟擊會使這類天體表面產生一層薄薄的含鐵納米微粒，使其變黑。但光譜分析表明，水星表面的含鐵納米微粒非常少，不足以讓它變黑。美國布朗大學的研究人員最近發現，水星如此之黑的關鍵可能在於彗星。
  • 不了解水星?貝皮可倫坡號帶你解密
    所以靠近太陽形成的行星一般而言擁有更多釷，而不是鉀。鉀與釷的含量比例在地球，火星，月球和金星上都與這些星球所形成的地方的溫度有一定相關性。但是我們在水星上所測量到的鉀要比我們預計的要多。」 事實上，水星上鉀和釷的比例與離太陽遠的多的火星上相當。
  • 火星發現液態水湖,《水星領航員》?蟑螂:不好,我們被發現了!
    近期，義大利媒體發布消息稱，在火星南極冰層下發現一大型鹽水湖。火星大開發提上日程，是否離脫離重力的束縛又近了一步？不過說起火星此時就想到了兩部番。真實蟑螂人hhhh2：《水星領航員》第二部水星領航員相比火星異種就溫和了很多很多了。《水星領航員》是日本漫畫家天野梢的代表作品。2004年4月起，作為《AQUA》的續篇在《月刊Comic Blade》創刊號上開始連載。作者在連載初期曾表示這是一部「水與貓的故事」，漫畫上的介紹則為「未來式的治癒系漫畫」。
  • 發現世界上最早砂石繩切割玉石痕跡
    原標題：小南山考古重要成果 發現世界上最早砂石繩切割玉石痕跡玉器製作在幾千年來表現了人類的系統行為，影響了中華民族的傳統觀念和文化習俗，以及涉及文化、歷史和政治等方面的內容，並產生了與玉相關的思想、文化和制度。
  • ...太陽|星系|銀河系|愛斯基摩星雲|行星狀星雲|哈勃太空望遠鏡|水星
    外太空星際空間 那麼在如此廣袤的星際空間中,除了可以看得見的各種星雲外,還有沒有別的物質存在呢? 直到19世紀末,都還有很多人還認為星際空間是一無所有的真空。今天迪亞馬特號為大家帶來的是宇宙那些璀璨美麗的宇宙圖像。
  • 是水星、金星還是地球?
    水星、金星、地球在我們的太陽系中有八顆行星，距離太陽由近到遠依次為水星、金星、地球、火星、木星、土星、天王星、海王星。水星、金星、地球和火星是巖質行星，也稱為類地行星；木星、土星、天王星、海王星是氣態巨行星。先了解一下水星的溫度
  • 水星路由器怎麼樣 水星路由器產品推薦【圖文】
    在購買路由器的時候為了品質著想大部分人都會選擇知名品牌生產的產品，其中水星路由器在國內的名氣就還不錯，不少消費者都喜歡水星路由器。那麼，水星路由器怎麼樣?　　網管可通過對日誌管理和查找，即時監控系統狀態及內外流量，快速發現問題，進而作對應的配置，確保內部網絡運作無誤。
  • 不定形耐火材料用減水劑的種類及作用機理
    減水劑滲入到基質分散體系中，產生潤溼吸附作用，疏水鏈的一端吸附錨固於基質顆粒的表面，另一端則伸入溶液中，產生空間位阻作用;而帶負電的親水基在基質顆粒表面形成雙電層，產生靜電排斥作用，常見的帶負電的親水基團有一COO-和一SO3-。減水劑分子加到不定形耐火材料中，並不與基質顆粒發生物理或化學反應，而是靠改變顆粒的表面性質，起到分散的作用(見圖2)。其中主要就是靠顆粒間的靜電斥力和空間位阻力。
  • 水星表面混沌地形,或表明曾含有支持生命的基本成分
    最近一篇新研究便指出，就連太陽系內距離太陽最近的水星，都可能曾擁有孕育生命先決條件的揮發物。水星幾乎沒有大氣層，因此表面晝夜溫差之大為太陽系之最，白天時赤地道區溫度可達432℃，夜間又降至零下172℃。
  • 晝夜溫差600度,這樣的水星上竟可能存在生命?
    近50年來，科學家一直認為，當一顆巨大的小行星撞擊水星的遠端時，它迅速在整個星球引發地震，從而形成了混沌地形。但美國行星科學研究所的亞歷克西斯·羅德裡格斯領導的這項新研究顛覆了這一觀點。新研究表明，混沌地形不可能是行星碰撞所導致的，因為在隕石坑形成2000年後才出現這種地形。
  • 太陽系中最小的行星,距離太陽58000公裡,水星到底有水嗎?
    水星距離太陽只有58,000公裡，相當於地球到太陽的距離的33.28%，是整個太陽系中距離太陽最近的行星，同時水星也是太陽系中體積最小的行星，被稱為小老弟，水星的體積只有地球的1/6，跟月球大小差不多。由於水星體積過小，而且太靠近太陽，在太陽巨大光斑的照射之下，水星顯示為一個極小的黑點，人類在地球上很難通過肉眼分辨水星。
  • 水星正在製造水?這也許可以解釋太陽系甚至宇宙中水的來源
    水星與太陽的距離比地球近60%。水星太近，導致其正在被太陽鎖定，其自身自轉周期正逐漸與繞太陽公轉周期同步。水星每公轉1圈，就會自轉1.5圈。一個水星日大約是176地球日，因此，每天其星球的一側要經歷無數個小時的炎熱的白晝，同時另一側要經歷無數個小時的冰冷的黑暗。我們都知道，如果持續沒有太陽的照射，溫度會急劇下降，對於水星來說尤其如此。