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实验室科研人员在双星计划对磁层顶磁场重联的观测分析中取得新进展

2015年08月28日 星期五 16:43:57

近日, 国际期刊Advances in Space Research(ASR)报道了我国双星计划卫星探测分析的新结果,科研人员燕广庆等利用双星计划探测数据,揭示了在行星际磁场(IMF)南北分量近乎为零时磁层顶准连续磁场重联的物理过程和新特点。

地球磁层与太阳风的相互作用是磁层物理研究的一个热点问题。当太阳风携带的行星际磁场与地球磁场在磁层顶相遇时,在特定的磁场位形下——尤其是行星际磁场南向时——会发生磁场重联,将磁场能量转变为等离子体能量,以磁场位形的重新联结以及等离子体高速流的形式完成磁场重联过程,并导致太阳风向磁层输运能量、物质和动量。多年来,对磁场重联发生的位置、条件、方式、物理细节等的研究,是磁层物理乃至空间物理研究和争论的一个焦点问题。

双星计划是我国第一个以空间物理科学目标驱动的空间科学探测计划,其两颗卫星分别于2003年12月和2004年7月发射至赤道轨道和极地轨道,星上各携带8台科学探测仪器,对地球空间的磁场、等离子体、波动等物理参数展开了实地探测。两个卫星在地球空间采集的数据,为空间科学研究提供了第一手资料,其科学产出也在空间物理科学家的努力工作和数据分析中不断呈现,并见诸国内外学术期刊发表的论文中。

实验室科研人员燕广庆等人,与美国加利福尼亚大学伯克利分校的科学家合作,分析了双星计划探测一号(TC-1)卫星在行星际磁场南北分量近乎为0 nT条件下观测到的晨侧磁层顶准连续重联过程,经过分析研究,卫星观测数据提供了磁场重联及其连续性的证据,表明在此种行星际磁场条件下,地球磁层顶的磁场重联过程可以准连续地发生并扩展到晨侧磁层顶区域。此项研究成果日前通过了国际期刊同行专家评审,即将发表在COSPAR官方国际期刊Advances in Space Research(ASR)上。

TC-1卫星在晨侧在磁地方时约为8:00的向阳面晨侧磁层顶位置观测到一连串等离子体高速流,速度可达500km/s,明显超出了磁鞘太阳风的背景速度,卫星在此条件下多次穿越了磁层顶,并伴随磁场位型由北向的磁层磁场位型转为行星际磁场南北分量 Bz≈0 nT的磁鞘磁场位型, 等离子体在磁层顶位置出现被加速的高速流, 同时在磁层顶内侧的边界层里,高速流也相当连续地持续出现了大约1个小时,并受到磁层顶运动的调制。Wallén 试验表明,这些高速流确由磁场重联产生,并于磁场重联理论模型所预测的Alfven加速是一致的,并且分析表明卫星位于重联区域的南侧,这与已有的关于磁层顶重联位置的预测吻合。对等离子体探测数据的进一步分析表明,在高速流持续的大约1个小时里,磁场重联是准连续的发生的,这与以前所观测到的连续重联过程有所类似。与此同时,卫星还观测到与上述稳态过程并存的瞬态过程——通量传输事件(FTE), 长久以来对此争论颇多,一般认为磁场重联要么是稳态的,要么是瞬态的。但此次TC-1的观测到的是稳态的准连续重联过程背景下存在着瞬态的FTE过程,目前认为FTE可能是由准连续重联和磁层顶运动产生,也可能是与外界驱动无关的一连串的等离子团所形成。考虑这次观测中特殊的行星际磁场条件以及卫星位于晨侧磁层顶,这样的准连续重联对于研究磁层顶重联模式以及由此引起的太阳风向磁层输运的效率等问题,具有重要的参考价值。

这一观测分析结果,以中国双星的观测事实为依据,回答了磁场重联在行星际磁场南北分量近乎为0 nT的条件下,能否在磁层顶以及在什么区域准连续发生的问题,即将在COSPAR官方国际期刊Advances in Space Research(ASR)上发表。

Citation: Yan G. Q., F. S. Mozer, T. Phan, C. Shen, T. Chen, Y. V. Bogdanova, H. Rème, C. Carr, Z. X. Liu: Quasi-continuous reconnection accompanied by FTEs during IMF Bz≈0 nT observed by Double Star TC-1 at the dawnside magnetopause, Advances in Space Research, 56, Advances in Space Research, 2015. doi:10.1016/j.asr.2015.08.014.



图1 双星TC-1卫星与Cluster SC1所在位置。其中Cluster SC1在上游太阳风中提供了行星际磁场条件的观测数据。

图2 双星TC-1卫星所观测到的准连续重联过程和通量传输事件。

 

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