科学家测量磁体内的能量转移

2018-05-14

插图显示了欧空局“群星”任务(上图)的航天器和NASA的THEMIS飞行任务(下图),通过地球磁鞘飞行,这是太阳风和我们星球周围磁层之间高度湍流的边界区域。欧空局(背景和集群航天器);美国航天局(THEMIS航天器)

科学家首次估计在磁鞘中太阳风和磁泡之间的边界区域有多少能量从大尺度转移到小尺度,从而保护我们的星球。根据欧空局Cluster和美国国家航空航天局THEMIS任务数年收集的数据,研究表明,湍流是关键,使得这一过程比太阳风的效率高出一百倍。

太阳系中的行星,包括我们的地球,都沐浴着太阳风,这是一种由太阳毫不留情地释放的高能量带电粒子的超音速流动。我们的星球和其他一些星球在这种无所不在的粒子流中脱颖而出:这些星球拥有自己的磁场,因此代表了太阳风席卷全球的障碍。

正是地球磁场与太阳风之间的相互作用创造了磁层的复杂结构,这是一个保护我们的星球免受绝大多数太阳风粒子影响的保护性气泡。

到目前为止,科学家已经对太阳风等离子体和磁层中发生的物理过程有了很好的理解。然而,关于这两种环境之间的相互作用以及关于分离它们的高度动荡区域(称为磁鞘)的许多重要方面仍然存在缺失,在那里怀疑大部分有趣的行为发生。

来自瑞典乌普萨拉空间物理研究所的Lina Zafer Hadid说:“要了解能量如何从太阳风转移到磁层,我们需要了解磁鞘中发生的一切,它们之间的”灰色区域“瑞典。

莉娜是一项新研究的第一作者,该研究首次量化了躁动在磁鞘中的作用。结果今天发表在“物理评论快报”上。

“在太阳风中,我们知道湍流有助于从几十万公里的大规模到一公里的较小尺度的能量耗散,在那里等离子体颗粒被加热并加速到更高的能量”,合着者Fouad解释说。来自法国等离子体物理实验室的Sahraoui。

“我们怀疑类似的机制也必须在磁体中发挥作用,但我们永远无法测试它,”他补充道。

湍流等离子体中的能级联。信贷:欧空局

磁鞘等离子体更加湍流,密度波动的程度更大,并且可以被压缩到比太阳风高得多的程度。因此,它实际上更加复杂,并且科学家们近年来才开发了研究在这样的环境中发生的物理过程的理论框架。

Lina,Fouad及其合作者梳理了ESA Cluster 4个航天器和NASA THEMIS 5个航天器中两个在地球磁场环境中飞行形成的大量2007至2011年收集的数据。

当他们将最近开发的理论工具应用到他们的数据样本中时,他们感到非常吃惊。

Lina解释说:“我们发现,由于磁层内湍流引起的密度和磁场波动,放大的能量从大到小的级数至少会上升一百倍。

这项新研究表明,在地球磁环境的这个区域,每秒钟每立方米传输约10-13 J的能量。

“我们预计可压缩湍流会对磁鞘等离子体中的能量传递产生影响,但并不是说它会如此重要,”她补充道。

另外,科学家能够推导出经验关联式,将磁鞘中能量耗散的速率与用于研究流体运动的另一个量的四次幂相关联,即所谓的湍流马赫数。按照奥地利物理学家恩斯特·马赫的名字命名,它量化了流体波动的速度与流体声速的关系,表明流体是亚音速还是超音速。

虽然能量传输速率很难确定,除非使用进行原位测量的空间探测器,如集束式太空船对地球周围的等离子体进行采样,但使用远程观测各种天体物理等离子体可以更容易地估计马赫数我们的星球。

“如果这种经验关系证明是普遍的,那么探索宇宙等离子体是非常有用的,这种宇宙等离子体不能直接用宇宙飞船探测,如遍布我们银河系和其他星系的星际介质,”Fouad说。

科学家们期待着将他们的结果与其他太阳系行星周围的等离子体测量结果进行比较,这些行星具有固有磁场,例如使用美国国家航空航天局Juno任务,目前在Jupiter和ESA未来的Jupiter冰冷探测器,以及ESA- JAXA BepiColombo将于今年晚些时候发布的Mercury任务。

ESA集群项目科学家Philippe Escoubet说:“令人兴奋的是,基于多年Cluster数据的研究发现了解决等离子体物理学中一个长期未解决的重大问题的关键。

出版物:L. Z. Hadid等人,“地球磁层中的可压缩磁流体动力学湍流:利用原位航天器数据估算能量级联速率”,Physical Review Letters,2018; DOI:10.1103 / PhysRevLett.120.055102

来源:瑞典空间物理研究所Lina Zafer Hadid; ESA