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新研究有助于解释水星的磁尾

时间:2018-05-14

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水星的极地地区。美国宇航局/约翰霍普金斯大学应用物理实验室/华盛顿卡内基研究所

理论物理学家使用模拟来解释水星表面,空间环境,地球化学和测距(MESSENGER)任务在2009年收集的不寻常的读数。水星磁尾中探测到的高能电子的起源令科学家感到困惑。这项新研究出现在AIP Publishing出版的等离子体物理中,为这些高能电子如何形成提供了一种可能的解决方案。

磁性材料在行星内部的流动产生了一个全球磁场。在水星和地球中,行星核心中的液态金属电流会诱发行星的磁场。这些领域在形状,大小,角度和强度上都有所不同,但对于保护行星免受太阳粒子的影响都很重要。

上图:质粒不稳定CS中平面周围平均磁场的变化(y = -20L0y = -20L0)。底部示出了平面外矢量电势分量αAx的堆积图。沿着CS y = -20 L L 0的中平面,这也是重新连接电场I ex的演变的代表。等离子体物理学,2018年; DOI:10.1063 / 1.5011013

太阳风用辐射轰击行星,并引起磁亚暴,我们有时在地球上看到它是北极光。当太阳风产生的强烈辐射压力“推动”行星的磁场时,会形成磁尾或磁尾。这些尾巴形成在行星的夜间一侧,远离太阳。在水星上,尾部的磁亚暴比地球上观测到的大。

水星的磁场比地球弱100倍,所以令物理学家感到惊讶的是,信使探测到行星的磁尾部 - 赫尔梅尾迹 - 探测到高能电子的迹象。 “我们想找出卫星为什么会发现高能粒子,”该研究的作者周小伟说。

在强湍流(情况D)中两个特征电子“(a)和(b)”的轨迹和能量演变。第一和第二列:在 i xy i中的电子轨迹的投影。和 I> YZ< / I>飞机。这些轨迹通过它们的总动能Ek i来进行颜色编码。配置文件。第三列:ek的进化 i (黑线),总​​能量增益ΔEkΔEk(青线),平行电场加速度(E || E || Acc,红线)和由于曲率加速度引起的加速度(曲率,蓝线)。右侧的y轴仅对应于曲率加速度。看到他们相应的动画进一步的细节[动画图4(a)多媒体视图和图4(b)多媒体视图分别为(a)和(b)电子]。在动画中,第一列显示CS中电子的位置演变(红色十字),第二列与图4第三列的面板相似。第二列中的垂直黑色虚线动画对应于第一列的时间。等离子体物理学,2018年; DOI:10.1063 / 1.5011013

负责这些高能粒子存在的候选人可能是磁重联。当磁场线的排列发生变化时会发生磁重联,释放动能和热能。然而,在动荡的天体物理环境中,磁重联还不甚了解。在这项研究中,中国和德国物理学家在Hermean磁尾的湍流背景下研究了磁重联。

磁流体动力学模拟和测试粒子计算表明,在磁重联过程中会产生等离子体 - 包含等离子体的不同磁性结构。这些plasmoids加速高能电子。仿真结果得到MESSENGER在Hermean magnetotail中对plasmoid种类和plasmoid重联的测量结果的支持。


< EM&GT图。图4(a)多媒体视图和图4(b)多媒体视图分别针对(a)和(b)电子]。在动画中,第一列显示CS中电子的位置演变(红色十字),第二列与图4第三列的面板相似。第二列中的垂直黑色虚线动画对应于第一列的时间。 < / EM>

研究人员还使用平均湍流模型来描述亚网格尺度物理过程的湍流。加速过程被缩放成模拟Hermean磁尾的特征条件的参数。模拟结果表明,在这些条件下,湍流等离子体重联可能导致电子加速。 “我们还表明,动荡通过提高重联率来增强重联,”周说。

该团队的模型预测了湍流等离子体重联的上限和相应的电子加速度。即将于2018年10月发射的Bepi-Colombo任务将测试这些预测。 Bepi-Colombo卫星是为抵御太阳附近恶劣炎热的环境而建造的,将于2025年插入水星轨道一个地球年,以传播来自地球的观测资料。


< EM&GT图。图4(a)多媒体视图和图4(b)多媒体视图分别针对(a)和(b)电子]。在动画中,第一列显示CS中电子的位置演变(红色十字),第二列与图4第三列的面板相似。第二列中的垂直黑色虚线动画对应于第一列的时间。 < / EM>

“以前的卫星不能测试电子的高能量,这项任务的一个目标是用新的探测器技术测量Hermean磁尾的高能粒子,”周说。有了这项新技术,研究人员希望能获得更详细的分层观点,即湍流效应。

出版物:X.Zhou等,“通过湍流等离子体重联的电子加速”,Physics of Plasmas,2018; DOI:10.1063 / 1.5011013

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