美卫星揭示极光能量来源 磁场绳织成极光通道

http://www.sina.com.cn 2007年12月16日 10:21  新京报
美卫星揭示极光能量来源磁场绳织成极光通道
“西弥斯”卫星(来源:NASA网站 新浪科技配图)
美卫星揭示极光能量来源磁场绳织成极光通道
“西弥斯”卫星每4天将在轨道上排成一行(来源:NASA网站 新浪科技配图)

  你或许知道,美丽壮观的北极光的产生与太阳风及地球磁场有密切的关系,但这究竟是什么样的关系呢?即使在科学界,这也依然是个未解之谜。现在,依靠先进的卫星系统,科学家终于掌握了真相。

  美国宇航局近期揭示了北极光产生的新动力,地球与太阳之间巨大的“磁场绳”是其中的重要角色。依靠一个被称为THEMIS的太空探测任务,科学家观察到了快速推进的亚暴的多种形态,证实了一条巨大的磁场绳的存在,也记录下了地球磁场边缘发生的小型爆炸。

  一分钟横扫15度

  发现得从今年3月23日说起,当时阿拉斯加和加拿大北部地区爆发了一场“亚暴”(substorm)。那是一种地球磁场的扰动,这次亚暴引发了持续两个小时之久的闪耀的北极光。绿色和蓝色的北极光不停地在空中闪动,越来越强烈,直到爆发出五彩缤纷,随处可见的光芒。这些地区的多台摄像机拍下了这些北极光的绚烂景色。空间轨道上的5颗卫星则记录下其太阳风颗粒流动走向,与磁场变化。

  研究表明,这一亚暴的能量相当大,2小时内发生的能量总和达到了500万亿焦耳的程度,相当于一次5.5级

地震的能量大小。问题是,这些能量是从哪儿来的呢?当时在空间轨道上的那5颗卫星或许有答案。

  这5颗卫星就是这次发现的最大功臣。卫星探测到的数据让科学家感到十分惊讶。研究的主要负责人、NASA首席极光研究员、加州大学洛杉矶分校的研究员罗普罗斯(Vassilis Angelopoulos)介绍,亚暴以极快的速度运行。当时极光以极快的速度由东向西推进,不到一分钟的时间,它在经度方向上越过了15度。“亚暴穿越了整个北极圈,相当于用60秒时间横扫640千米。”

  磁场绞成了绳

  科学家根据观测结果推测,磁场的聚合给极光带来了能量。NASA在马里兰岛上的

火箭航空中心的项目科学家斯贝克(David Sibeck)介绍说,“正义女神”真正确认磁场“绳”的存在,还是在5月20日,当时它们拍下了这些磁场绳的三维图像。

  “卫星发现有一条磁场‘绳’直接连接了地球之上的大气与太阳。”斯贝克说,“我们相信太阳风颗粒沿着这些绳子走,给地质磁场风暴和北极光带来能量。”

  磁场“绳”是由磁场形成的绳子形状的螺旋状的集合,就像水手绞动的粗绳一样。此前,太空探测器就曾经探测到这些磁场“绳子”存在的证据,但单独一个太空探测器还没有能力做出三维结构的地图。

  “磁场绳非常大,几乎和地球一样宽,位于地球磁顶层(magnetopause)以上约7万千米的地方。” 斯贝克补充道。磁顶层就是太阳风与地球的磁场碰撞的地方,太阳风使得磁场之间像相扑运动员一样互相扭绞着,在很短几分钟内就形成了密不可分的绳状集合,这条绳子也成为了太阳风能量主要而关键的导管。

  罗普罗斯表示,这次研究很重要,意义可说是“进入了太空物理学的新纪元”。该次发现的结果,于上周二在洛杉矶的全美地质物理联盟秋季大会上提交。

  NASA重头戏

  这五颗卫星由美国宇航局制造,目的是了解多彩极光的神秘动力。该任务的全称为“亚暴之大规模互动及时间历史性事件”任务(Time History of Events and Macroscale Interactions during Substorms),缩写后成了THEMIS,恰好和希腊神话中正义女神忒弥斯的名字一样,因此得名。

  THEMIS整个项目由位于马里兰岛的哥德太空项目办公室资助。负责落实的机构则是加州大学的贝克利太空科学实验室。

  “正义女神”号装备的仪器可以测量太空中的离子、电子和电磁辐射。罗普罗斯还说,观察北极光的最佳时刻其实还没到,但现在的结果已经很喜人了。此外,THEMIS还有另外一套迷你型的卫星系统,其将可以加入操作这一实验,能够探测出从北极光风暴中发射出的热能和压力的演变。

  罗普罗斯将THEMIS的作用和气象台相比,通过这一仪器,就可以检测出一世纪前的大气气候。“这些风暴的确可以很有助于我们理解和预测太空气候。”他说。

  此外,“正义女神”还探测到了地球磁场弓形激波(Bow shock)中的一些小爆炸。“弓形激波是如同水里的船前面的波形浪一样的东西。” 斯贝克解释,“这也是太阳风首次受到地球磁场影响的地方。有时,太阳风内电流的爆发会撞击到弓形激波上,接着‘嘭’一声,爆炸发生了。”

  明年2月,卫星将在太阳和地球之间排成直线。这样最关键的实验可以在那时进行。研究者希望能第一次探索到太空中亚暴的起源,也希望能了解其更多演变。接下来的两年,美国、加拿大、欧洲、俄罗斯和日本的科学家都会加入到这一研究中去。

  - 新知补丁

  亚暴

  THEMIS卫星组成功拍下了磁场绳的三维图像。

  即“磁层亚暴”(magnetospheric substorm),发生于地球磁层的强烈扰动。1968年,日本地球物理学家赤祖父俊一首创了这个概念。持续时间为1—2小时。主要扰动区域包括整个磁尾、

等离子体片和极光带附近的电离层。因为极光活动时间和地磁亚暴一致,故极光活动又称“极光亚暴”。

  亚暴常成串出现,时间间隔无规律,有时第一次尚未结束,第二次接踵而来,这称为叠发亚暴。每一次爆发来不及构成完整的膨胀相,而只是一次接一次的极光增亮。亚暴的发生与行星际磁场和太阳风状态有密切关系,一般当行星际磁场持续一段时间偏南之后,就会发生一连串亚暴。磁层亚暴时,可能造成高纬度地区无线电通讯中断,地球同步轨道上的卫星充电等效应。因此,对磁层亚暴的研究具有实际意义。

  编译:金煜

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