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地质地球所揭示土星磁层内系统性小尺度磁重联过程

2019-10-30 地质与地球物理研究所
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  地球磁层主要受到来自太阳的粒子及磁场的影响,太阳风驱动的磁重联过程使得地球磁层内的物质与能量不断循环并释放进入行星际空间。类似的过程也存在于土星磁层,但与地球显著不同的是,土星的天然卫星土卫二会向土星磁层内源源不断地释放水冰等物质,并最终电离形成O+HO+等重离子,重离子随土星磁层快速旋转,被离心力限制在赤道面附近并向外延展,同时拉伸磁力线形成磁盘。土星磁盘动力学过程是土星磁层活动的重要参与者,这也是区别于地球的重要过程。土卫二作为内源能够在不同时空尺度上引发土星磁层活动。因此,研究磁盘内粒子及能量循环过程对于理解土星的磁层环境至关重要。

  在土星上,磁重联也是驱动磁层中等离子体和能量传输的关键过程之一,同时是加速加热带电粒子的重要的物理过程。早期观点认为土星磁盘上的磁重联区域是大尺度的,能够横跨整个磁尾;源自土卫二的重离子基本上因为这一大尺度磁重联过程从夜侧逃逸出土星磁层。但是单独的夜侧大尺度磁重联模型主导的逃逸率要小于源自土卫二的离子释放率,无法平衡内部物质输运过程。最近的研究表明,土星磁盘磁重联可以出现在日侧,并且尺度较小。日侧磁重联的存在提高了土星磁盘物质的逃逸率,但仍需要更具体的模型来理解土星磁层内的物质输运过程。

  中国科学院地质与地球物理研究所地球与行星物理重点实验室博士后郭瑞龙及合作导师、研究员魏勇与副研究员尧中华等人,在他们之前的土星转动重联研究基础上对土星磁盘磁重联进行了深入研究,揭示出土星磁盘磁重联结构可以随土星旋转,并且以小尺度为主。同时他们发现这些小尺度磁重联结构能够同时出现在各个地方而不局限于日侧及夜侧(图1),并持续很长时间。

  一直以来,地球以及土星上的磁重联都被认为只在特定的区域内发展及演化。重复出现的磁重联信号对应的是磁层随时间演化导致的不同的磁重联事件。但是在土星磁层内,磁盘在共转电场的作用下会以一定速率绕土星旋转。只有考虑旋转效应,才能更深入地理解土星磁重联活动。图2展示了该研究工作中的一个典型事件。第一栏的箭头标记出磁重联发生的时刻,这些时刻都对应了电子的加速加热现象,说明磁重联正在进行。相邻的磁重联之间的时间间隔可以小于一个土星自转周期(~10.5h),但是这些磁重联事件总共持续的时间要长于一个土星自转周期。对这类磁重联簇现象的统计研究发现,各个磁重联是独立的,不是同一个磁重联被重复观测到。由于随土星磁层旋转,这些磁重联不可能是单个非稳态磁重联过程的不同演化阶段,因为它无法在同一个地方时连续被观测到。最终,通过谨慎地分析,研究表明:土星磁重联是小尺度的,可以同时出现在各个地方并且随着土星磁层一起旋转。

  研究结果揭示的新图像是巨行星独有的,不会出现在地球磁层。这一图像将改变人们对土星磁层物质损失过程的认识:磁重联同时在所有经度排出粒子从而增大物质损失率,同时,也可能解释土星和木星磁层中其他旋转现象,例如旋转极光及旋转的高能粒子团。

  研究成果发表于The Astrophysical Journal Letters

   

  图1 土星小尺度磁重联分布示意图。图中水红色、蓝色及黑色曲线代表磁力线。所有磁力线连接到中间的土星上。左侧蓝色区域代表太阳风主导的区域,粉红色区域为土星磁层内。水红色磁力线上的红色‘X’形代表磁重联。磁重联尺度较小,环向离散地分布在土星磁层内,并且随着土星一起旋转。

2 小尺度磁重联事件。(a)磁场的纬向分量Bθ;(b)高能电子通量;(c)热电子能谱

打印 责任编辑:叶瑞优

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