Swarm 和 Cluster 任务深入地磁风暴的底部

12月17日 10:01 引自:phys.org

与地球附近的磁场扰动有关的突发大流量。图片来源:欧洲航天局

生活在气泡中的概念通常带有负面含义,但地球上的所有生命都依赖于我们的磁场产生的安全气泡。了解该场是如何产生的,它如何保护我们以及它有时如何让位于来自太阳风的带电粒子不仅是科学兴趣的问题,也是安全问题。使用来自欧空局的集群和群任务的信息以及地面测量,科学家们第一次能够确认奇怪命名的突发体积流与地球表面附近磁场的突然变化直接相关,这可能导致损坏管道和电力线。

磁层是太空中的一个泪珠状区域,从白天一侧距离地球约 65,000 公里开始,在夜间一侧延伸至超过 6,000,000 公里。它是通过地球磁场和从太阳流出的超音速风之间的相互作用形成的。

这些相互作用是极其动态的,包括复杂的磁场配置和电流系统。某些被称为太空天气的太阳条件可以通过驱动系统周围的高能粒子和电流对磁层造成严重破坏,有时会破坏太空硬件、地面通信网络和电力系统。

自 2000 年以来,在环绕地球的椭圆轨道上,最远可达 100.000 公里,欧空局独特的四航天器集群任务一直在揭示我们磁环境的秘密。值得注意的是,该任务仍然处于良好的健康状态,并且仍在推动该领域的新发现太阳物理学——研究太阳与太阳系中天体之间关系的科学,在这种情况下是地球。

星团任务包括四颗以四面体形式飞行的卫星,并收集有关近地空间小尺度变化以及太阳风带电粒子与地球磁层之间相互作用的最详细数据。图片来源:ESA—CC BY-SA 3.0 IGO

欧空局的三颗 Swarm 卫星于 2013 年发射升空,其轨道距离地球更近,主要用于通过精确测量来自地核、地幔、地壳和海洋以及电离层的磁信号来了解我们的磁场是如何产生的和磁层。然而,Swarm 也带来了对太空天气的新见解。

这两项任务的互补性构成了欧空局太阳物理天文台的一部分,为科学家们提供了深入地球磁层并进一步了解空间天气风险的独特机会。

在发表在《地球物理研究快报》上的一篇论文中,科学家们描述了他们如何使用来自 Cluster 和 Swarm 的数据以及来自地面仪器的测量结果来检查太阳风暴、内磁层中的突发性大流量和地表磁场扰动之间的联系。驱动地球表面和地球表面以下“地磁感应电流”的场。

磁场被认为主要是由过热的、旋转的液态铁海洋产生的,这些液态铁构成了我们脚下 3000 公里处的地球外核。就像自行车发电机中的旋转导体一样,它会产生电流,从而产生不断变化的电磁场。其他磁性来源来自地幔和地壳中的矿物质,而电离层、磁层和海洋也发挥作用。ESA 的三颗 Swarm 卫星星座旨在精确识别和测量这些不同的磁信号。这将带来对许多自然过程的新见解,从发生在地球深处的自然过程到由太阳活动引起的太空天气。图片来源:ESA/ATG Medialab

该理论认为,驱动地磁感应电流的地磁场的剧烈变化与沿磁场方向流动的电流有关,这些电流由突发性大量流动驱动,这些流动是离子的快速爆发,通常以每秒 150 公里以上的速度行进。这些磁场对齐的电流将电离层和磁层连接起来,并穿过星团和群的位置。直到现在,这个理论还没有得到证实。

来自英国卢瑟福阿普尔顿实验室的马尔科姆邓洛普解释说:“我们使用了 2015 年太阳风暴的例子进行我们的研究。来自集群的数据使我们能够检查爆发性体积流——磁尾中的粒子爆发——这有助于地磁活动期间物质向地球的大规模对流,这与北极光中称为极光流光的特征相关。来自 Swarm 的数据显示,相应的大扰动更靠近地球,与来自外部区域的连接场对齐电流有关,其中包含流量。

“与从地球表面进行的其他测量一起,我们能够确认地球附近的强磁场扰动与更远空间的爆发性大量流的到来有关。”

地球磁层中的磁重联。图片来源:ESA/ATG medialab

ESA 的 Swarm 任务经理 Anja Strømme 补充说:“这要归功于这两项任务都远远超出了他们的计划寿命,因此同时在轨道上执行两项任务,这使我们能够实现这些发现。”

虽然这项科学发现可能看起来有些学术性,但对社会确实有好处。

太阳用光和热沐浴我们的星球以维持生命,但它也用太阳风中的危险带电粒子轰击我们。这些带电粒子会损坏通信网络和导航系统,例如 GPS 和卫星——我们在日常生活中依赖所有这些服务和信息。

正如论文所讨论的,这些风暴会影响地球表面和地下,导致停电,例如 1989 年加拿大魁北克省遭受的大停电。

空间天气是指受太阳活动影响的空间环境条件。图片来源:ESA/科学办公室,CC BY-SA 3.0 IGO

随着支持现代生活的地面和太空基础设施的快速增长,越来越需要了解和监测太空天气以采取适当的缓解策略。

来自欧空局空间天气办公室的亚历克西格洛弗说:“这些新结果有助于我们进一步了解磁层内可能导致潜在危险空间天气条件的过程。了解这些现象及其潜在影响对于为最终用户开发可靠的服务至关重要运营潜在敏感的基础设施。”

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