▲围绕地球的巨大磁场（涡旋的蓝线）。当地球经过太阳风（橙色区域），它的磁场在前面产生了一个弓形激波（淡蓝色）。
当地球以超声速围绕太阳转动，它在太阳风中切割出一条路径。如果没有地球磁场的保护，那么从太阳外层发射的这些快速的带电粒子流或者等离子体将会轰击地球大气。
正如摩托艇在水中行进时在船身前形成一个弓形激波，当地球穿过太阳风时会产生类似的效应。科学家试图解释地球磁场如何能将强大的太阳风推到一边，避免灾难。他们知道部分答案已经有很长时间了：弓形激波将太阳风能量转化为储存在电子和质子中的热量。但现在，研究人员拥有了关于这个过程如何发生的重要新线索。
美国马里兰大学领导的一项研究描述了地球弓形激波中电子加热过程的首次观测。研究人员发现，当太阳风中的电子遭遇弓形激波时，它们瞬间加速到很高的速度，使得电子流变得不稳定并且破碎。这个破碎过程降低了电子的速度，将能量转化为热量。这些结果为科学家理解地球磁场及其保护地球免受有害粒子和辐射损害的能力增加了一个新的维度。研究论文5月31日发表在《物理评论快报》杂志上。
“如果你站在山顶，你可能会被一阵疾风刮倒。”这项研究的主要作者、UMD天文系的科学家Li-Jen Chen说。“幸运的是，当太阳风撞到地球磁场时，弓形激波使太阳风减速，将其变为和煦温暖的微风，从而保护了我们。我们现在对于这是如何发生的有了一个更好的想法。”
科学家从美国宇航局的磁层多尺度探测（MMS）项目获得了数据。MMS项目由四颗相同的卫星组成。这些卫星携带了研究地球磁场与太阳风相互作用的物理过程的仪器。这些卫星每30毫秒获得一次三维测量结果，得到了弓形激波层中的数百次测量。来自MMS项目的这些高频次精确测量对于这项研究很关键。
“来自MMS的极快速测量使我们最终看到了薄激波层中的电子加热过程。”美国宇航局戈达德太空飞行中心的高级项目科学家、研究的合作者Thomas Moore说。“这是开创性的，因为现在我们有能力识别起作用的机制，而不仅仅是观察它的结果。”
科学家已经知道弓形激波在某种程度能够将电子能量转化为热量，无需电子之间的直接碰撞。这意味着地球上的一种常见产热方式——摩擦对于弓形激波中的电子加热是不适用的。
“对弓形激波中电子加速的这个新的观测改写了当前对电子加热的理解。”同样是美国宇航局戈达德太空飞行中心研究科学家的Chen说。“例如，研究人员没有预料到弓形激波会把太阳风电子流加速到我们观测到的速度。”
在MMS项目的较早阶段，卫星通常会近得多地围绕地球运动，所以它们经常会错过弓形激波。然而，一场突如其来的太阳风爆发将弓形激波推向距离地球更近的地方，使得卫星能够捕捉到稀有、详实的数据。抓住这一优势，研究人员观测了碰到弓形激波前、碰到弓形激波时以及之后的太阳风电子流。激波加速的电子流只过了90毫秒就变得不稳定并完全破碎了。
“电子加热的研究不仅对理解弓形激波如何保护地球重要，可能对于卫星和太空旅行和未来对其他行星的探索也是重要的。”通过给出弓形激波中的电子在做什么的第一幅清晰图像，Chen和她的合作者希望鼓励其他科学家进行电子加热的计算机模拟、进一步空间观测和实验室实验。Chen还期待进一步研究弓形激波加速电子流的机制。
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编译：钱磊 编辑：程建兰
来源：
https://www.sciencedaily.com/releases/2018/05/180531131134.htm
