太陽風(fēng)與地磁場的相互作用使得地球背陽面磁層被拉伸形成磁尾。磁尾由磁場方向互為反平行的兩個(gè)尾瓣組成。在兩個(gè)尾瓣之間磁場反向過渡的區(qū)域，磁場較弱，電流密度較大，一般稱之為磁尾電流片。磁尾儲存了磁層的大部分磁能，儲存的磁能通過各種動力學(xué)活動，譬如磁重聯(lián)，不穩(wěn)定性等，在磁尾電流片中以等離子體高速流、波動等形式轉(zhuǎn)化釋放出來，從而造成地面地磁場擾動，并伴隨極光活動的產(chǎn)生。多年來對地球磁尾電流片的觀測表明，電流片存在拍動現(xiàn)象，表現(xiàn)為衛(wèi)星多次穿越電流片，并且拍動能形成波動從午夜向磁尾兩側(cè)傳播，如圖1所示。當(dāng)前對電流片拍動形成的物理機(jī)制還不清楚。
圖1. 地球磁尾電流片的拍動傳播。未擾電流片在XY平面內(nèi)。
與地球不同，金星不存在全球內(nèi)秉磁矩。但是太陽風(fēng)與金星電離層的相互作用也能形成感應(yīng)磁尾結(jié)構(gòu)，如圖2所示。之前也有人注意到金星磁尾電流片也存在拍動現(xiàn)象，但是不清楚該拍動是否如地球情形，能形成波動從午夜向兩側(cè)傳播。所以從一定程度上而言，比較研究金星、地球的磁尾電流片拍動有助于揭示電流片的真實(shí)拍動機(jī)理，這對于比較探究電流片的動力學(xué)活動過程具有重要的物理意義。然而，在當(dāng)前，由于行星深空探測依賴的基本都是單顆衛(wèi)星的觀測。單顆衛(wèi)星的觀測無法計(jì)算電流片的運(yùn)動方向，因此也無法判斷電流片的拍動能否形成波動傳播。
圖2. 金星感應(yīng)磁層的磁尾結(jié)構(gòu)
為了研究金星磁尾電流片的拍動特征，戎昭金副研究員等人利用單顆衛(wèi)星的磁場觀測，發(fā)展了一個(gè)可定性診斷電流片拍動和傳播的分析方法，并將該方法應(yīng)用到金星快車探測金星的情形中。他們發(fā)現(xiàn)金星磁尾電流片存在兩種拍動狀態(tài)：1. 穩(wěn)定拍動，僅電流片來回?cái)[動，擺動不形成波動傳播；2. 扭曲拍動，拍動能形成波動傳播。研究還進(jìn)一步發(fā)現(xiàn)拍動波的傳播方向與地球的明顯不同，如圖3所示，他們猜測，拍動波的激發(fā)源在電流片的兩個(gè)側(cè)翼處，很可能是外部磁鞘中的太陽風(fēng)擾動激發(fā)了電流片的拍動。他們據(jù)此提出了一個(gè)猜想：對于含內(nèi)秉磁矩的星體，其磁尾存在的拍動特征應(yīng)該與地球磁尾類似，激發(fā)源在午夜，拍動向磁尾兩側(cè)翼傳播；而對于無磁星體的感應(yīng)磁尾而言，其拍動特性應(yīng)該類似金星，激發(fā)源在電流片兩側(cè)翼。該猜想可望得到進(jìn)一步工作的驗(yàn)證。
圖3. 金星感應(yīng)磁尾電流片的拍動傳播特性，未擾電流片在XZ平面內(nèi)。
以上研究成果近期發(fā)表在國際知名地球物理期刊Journal of Geophysical Research，并被選為當(dāng)期亮點(diǎn)文章。
- Rong, Z. J., et al., (2015), Technique for diagnosing the flapping motion of magnetotail current sheets based on single-point magnetic field analysis, J. Geophys. Res. Space Physics, 120, 3462–3474, doi: 10.1002/2014JA020973.
- Rong, Z. J., et al., (2015), The flapping motion of the Venusian magnetotail: Venus Express observations, J. Geophys. Res. Space Physics, 120, doi: 10.1002/2015JA021317.
原文鏈接
- http://onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1002/2014JA020973/full
- http://onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1002/2015JA021317/full