物理所等在實驗室中利用強雷射模擬對日地磁場活動

2020-11-28 中國科學院

地球磁場保護著地球免受來自太陽及宇宙深處的高能射線的侵害。太陽風與地球磁場作用，會造成地磁場由於壓縮拉伸甚至交叉而發生重聯過程，導致磁場拓撲結構的改變並以高能粒子與射線的形式釋放出巨大能量。對磁場重聯物理過程的研究對人類的活動具有重要意義。磁場的重聯過程被認為是太陽冕區物質拋射及耀斑等活動的成因；磁場重聯過程密切影響著空間氣候；即便是來自河外的高能宇宙射線，也有理論認為與磁重聯過程密切相關。地球磁場因而成為科學家首選的研究磁重聯物理過程的自然實驗室。

然而，與地球上實驗室研究不同的是，通過人造衛星對地磁重聯現象的研究具有極大的偶然性，要求在地磁重聯發生的短暫時間內，衛星恰好在現場。因此，通過衛星觀察到的不同時間地點的地磁重聯現象會不一致。比如，在2003年1月14日，歐洲太空總署的Cluster－1衛星在地磁場的一個重聯區中心位置，測量到一個細長的電子擴散區（EDR-electron diffusion region）；但這一記錄與2005年1月25日發現的19個EDRs全部分布在磁重聯區兩側的觀測存在極大差異。

最近，中科院物理研究所/北京凝聚態物理國家實驗室（籌）光物理實驗室李玉同、上海交通大學張杰和中科院國家天文臺趙剛研究團隊在上海高功率雷射聯合實驗室神光II實驗平臺上，利用雷射等離子體實驗構造了相似的磁重聯結構，來研究重聯過程中EDRs的特徵。實驗同時發現了磁重聯區中心與兩側邊緣一共三個EDRs，其中中心EDR的出現時間要略晚於兩側EDRs，但其速度明顯要高得多。這一發現揭示了磁重聯過程新的特徵，為地磁重聯觀測的解讀提供了新的思路。

也是在這個實驗中，研究團隊還捕捉到了雷射等離子體重聯區產生的一個運動的「磁島」，以及其運動導致的二階電流層及明亮的尖狀結構。這個發現對人們理解太陽冕區物質拋射以及耀斑過程有重要意義。這項研究進一步表明，有別於天文物理研究中被動性較強的觀測，實驗室天體物理實驗使得人們可以在條件參數可控的情形下，重複地、全過程地研究一些與天體相關的物理現象。

上述研究結果發表在近期的《物理評論快報》[Phys. Rev. Lett. 108, 215001 (2012)]上。該工作得到了國家基金委、科技部和中國科學院的資助。

論文連結

利用幹涉方法得到測得的磁重聯結構。圖a和b對應兩個不同時刻。電子耗散區在X1和X2之間。圖c為等離子體自發光圖像。圖d為粒子模擬結果。圖e為與c對應的示意圖。

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