地球如何躲避太阳风暴袭击？NASA四颗阵列卫星发现神秘磁重联现象

随着全球科技进步和信息化水平的提高，太阳风暴对地球的危害日益凸显。而掌握太阳风暴袭击地球的规律以及能量的流向是天文物理学界最大的难题之一。不过最近，NASA日地探测任务磁层多尺度（Magnetospheric Multiscale，MMS）太空气象任务对我们深入了解地磁场提供了巨大帮助，让我们明白了地球是如何在猛烈的太阳风暴中“存活”下来的…

太阳爆发所喷射的高能带电粒子对卫星、无线电通信和地面高技术系统会产生重大影响。大多数人都知道地球外层存在球状的磁场线笼，而事实上在地磁场外围还存在一堆混乱的磁场。这个混乱的磁场区叫做磁鞘，有点像泻湖平滑水流之外的白色水花，延伸到相当于地球直径几倍的太空里，从而形成弓形冲击区域（弓激波）。

几十年来，天文学家对地球笼状磁场进行了大量研究，掌握了磁场线与带电粒子间的作用规律，但由于磁鞘区域太过波动，研究存在许多困难，因此很难准确模拟它们是如何与太阳发射出的高能带电粒子相互作用的规律。

在NASA的MMS任务中，四颗卫星以紧密的金字塔状轨道运行，首次在毫秒级的时间尺度上绘制了磁鞘区域的电子密度图，并详细描绘出其行为。天文学家发现，远离地球表面的电子湍流漩涡中存在亚原子尺度的变化，这种变化有效地驱散了陷入其扭曲的磁力场中的能量，当太阳风暴袭击地球时，高能带电粒子会减速并彼此聚集。从电子运动中易得到，在密集的磁场线中有大量的磁断裂和磁重联。

磁重联是天体物理中非常重要的快速能量释放过程，也是科学家至今知之甚少的神秘领域之一。磁重联伴随着磁场剧烈频繁的断裂和连接，并不断释放带电粒子，将其引导至无形的管道中。解释了当地球上充满带电粒子时地球保护磁层边缘的混沌区域的行为，为理解类似的湍流热点(如围绕太阳的热点)奠定了新的基础。

MMS发现的电子磁重联，是与地球笼状磁场线中发生的标准磁重联完全不同的新过程。掌握如此规模的磁重联的可靠证据不仅有助于我们了解地球外围空间，还可以更好地保护地球免遭太阳风暴的袭击，并应用于一系列天文现象。例如，太阳最外层日冕的温度高达100万℃，比其内部高数百倍，至今无人提出令人信服的解释。而掌握更多关于磁场在这个“湍流超热区”的重联过程，可能会获得令人满意的答案。

目前，NASA即将推出的太阳探测任务打算通过扫描恒星的日冕来收集相关的关键数据。

文/朱张航宇

参考文献：Electron magnetic reconnection without ion coupling in Earth’s turbulent magnetosheath, Nature, 2018,volume 557, pages202–206.