地球磁场是一个无情的太阳风粉碎机器

当地球以每小时67000英里(108000公里/小时)的速度移动时，地球磁场将太阳风（太阳喷射出持续的等离子粒子流）推到一边，就像高速行驶的汽艇船头把水推开一样。科学家们称这种现象为“弓形休克”，因为它类似于一艘在波涛汹涌海面上疾驶而过的船。长期以来，研究人员一直怀疑，我们应该感谢这次弓形震波，因为它将灼热的太阳风减弱为我们在地球上感受到的微风，但并不知道这是如何发生的。现在发表在《物理评论快报》杂志上的一篇新论文给这个难题增加了几十亿个电子大小的碎片。

地球的磁场穿过强烈的太阳风，就像一艘船在水中航行一样。图片：NASA

在马里兰大学(University of Maryland)和美国宇航局(NASA)马里兰州戈达德太空飞行中心(Goddard Space Flight Center)的研究人员领导的一项研究中，科学家们深入研究了美国宇航局(NASA)的四颗卫星获得的数据。他们发现，当太阳风撞击地球的弓形激波时，太阳电子会加速得如此之快，以至于它们真的会分裂，将潜在的破坏性能量转化为无害的热量。这项研究的主要作者，马里兰大学的天文学家Li-Jen Chen在一份声明中说：当太阳风撞击地球的磁场时，弓形激波通过减缓风的速度并将其转化为温暖的微风来保护我们，现在更清楚这是怎么发生的。

地球不断地受到由太阳以太阳风形式释放的质子、电子和离子组成的炽热、浓稠的等离子体的轰击。据美国国家航空航天局(NASA)的数据，这些风整天都在吹，从我们最近恒星发出的速度高达每秒钟500英里(每秒800公里)，温度高达290万华氏度(160万摄氏度)。你可能会认为这足以把我们的星球烤成一个巨大的、绕轨道运行的灰分，但是地球和它的大气层在很大程度上是由于地球强大的磁场而毫发无损的。陈和她的同事们知道，通过研究地球的弓形激波，他们可以找到行星偏转的原因。他们从一开始就怀疑是电子造成：当太阳电子以超音速撞向弓形激波时，它们是在用能量换热量。

在猎户座星云周围的一颗年轻的恒星前面，一道弓形激波闪烁著。图片：NASA and the Hubble Heritage Team STScI/AURA

该团队在NASA的磁层多尺度任务(MMS)捕捉到的数据中寻找答案。该任务在2015年发射了4颗相同的卫星，以研究地球磁场与太阳风之间的相互作用。研究人员写道，这些卫星上的仪器每30毫秒就能记录到地球弓形激波附近粒子的详细测量数据。这一处理速度在一场反常的太阳风暴中被证明是至关重要的。当突然的太阳风把地球的弓形激波推到离地球表面更近的地方时，NASA的卫星就能近距离观察到太阳与弓形激波碰撞前后的等离子体流。一旦流击中弓形激波，内部的太阳电子就会加速——非常快。在90毫秒内，电子加速得如此之快，以至于它们会变得不稳定并分裂成碎片。

研究人员说，这种分解剥夺了电子的能量，并将能量转化为热量。美国宇航局戈达德太空飞行中心的高级项目科学家托马斯·摩尔在一份声明中说：MMS的快速测量让我们终于看到了薄激波层中的电子加热过程。这是突破性的，因为现在我们有能力识别起作用的机制，而不仅仅是观察其后果。研究人员说，确切地了解地球的弓形激波是如何保护地球免受太阳辐射的影响，最终可能会帮助科学家找到新的方法来保护卫星、宇宙飞船，甚至未来在其他行星上的定居地。但是现在，享受夏天的和风吧——而且要知道，在某处，地球的磁场正猛烈地将数十亿的太阳电子撕成碎片。

博科园-科学科普｜文：Brandon Specktor/Live Science