行星际激波作用下的地球磁层-地表磁场响应链研究


[日期:2015-04-27来源:  作者: 阅读: 次]

行星际激波是在行星际中传播的一种强间断,当它作用于磁层后会在地球空间中引发扰动。深入研究磁层-电离层系统对行星际激波的响应过程在空间物理学研究及空间天气预报方面均具有重要意义。

在国家自然科学基金重点项目(项目批准号:41231067)的支持下,空间天气学国家重点实验室(中国科学院空间科学与应用研究中心)王赤研究员领导下的研究小组发现在行星际激波作用下地球空间磁场变化的一个独特现象。传统观点认为,行星际激波总是产生压缩效果,因而当行星际激波轰击地球时,总是会引起地球磁场的增强。然而,在某些特定区域,卫星却观测到了地球磁场减弱的现象。该研究小组就这一磁场减弱区域的产生机制、演化特性、对行星际条件的依赖性、及其造成的地球空间-地表磁场响应链现象进行深入的观测和三维数值模拟研究,系列结果发表于地球物理学研究杂志(Journal of Geophysical Research)上。

诸如日冕物质抛射等太阳活动往往会在其前方驱动一个间断面,即行星际激波。行星际激波会在很短的时间内造成太阳风参数的显著变化,太阳风动压急剧增加。当激波撞击地球磁层(即由地磁场所形成的能够阻止太阳风粒子直接进入地球空间环境的保护层)时,将会引发剧烈的扰动。

在激波的作用下,向阳面磁层磁场总是急剧增强,这一点已被多颗卫星观测证实。然而在夜侧磁层,同步轨道卫星却有时会观测到磁场的迅速下降。这与激波总是压缩磁层进而造成磁场增强的传统观点不符。

事实上,在激波作用下,磁场减弱的负响应区和磁场增强的正响应区并存,这点已被卫星观测和数值模拟所证实。当激波到达晨昏子午面时,它将会往背阳方向拖拽磁力线。然而在磁张力作用下的磁力线就像一个弹力绳一样,会有一个恢复到其最初位置的趋势。因此在这一区域激发出速度涡旋。磁力线与地向的速度扰动“冻结”在一起向地球方向运动,因而造成该区域内磁场的减弱。

同步轨道卫星所观测到的磁场变化取决于负响应区初始形成时的位置。如果负响应区离地球较近从而可以覆盖夜侧同步轨道,卫星将记录到磁场的迅速下降。然而如果负响应区在磁尾距离地球较远的地方,卫星将观测到磁场的增强。负响应区位置由上游太阳风动压决定。上游动压较大的行星际激波将会产生离地球较近的负响应区。

根据电磁学定律,磁场负响应区和正响应区的交界处是发电机区。该发电机区产生的电流在晨侧流入电离层、昏侧流出电离层,因而产生电离层电流。该电离层电流则将进一步引起地表磁场的主相脉冲。这就形成了行星际激波作用下的磁层-地表磁场响应链现象。近期,利用自主开发的全球三维磁流体力学模型,该研究小组首次揭示了行星际(上万公里)–地球磁层(上千公里)电离层(上百公里)地面磁场对行星际激波链式响应的物理联系图像。

1 磁层-地表磁场响应链示意图。黑色曲线为磁层顶,绿色圆球为地球。红色和蓝色区域分别为激波作用下赤道面内磁场的正、负响应区。由负响应区产生的电流用蓝色曲线表示,该电流与电离层相连,因而产生电离层电流。电离层电流进一步引起地表磁场的变化,形成磁层-地表磁场响应链。


1 磁层-地表磁场响应链示意图

【 打印 】    【 关闭 】    【 返回顶部 】