我國對日地系統(tǒng)磁重聯(lián)現(xiàn)象研究取得系列突破

無論是哈勃太空望遠(yuǎn)鏡最新公布的伽馬射線蟹狀星云，還是冰島上空不可思議的極光，都讓人感嘆，同時讓人覺得神秘不已。其實美麗的極光是來自太陽或地球磁層的高能粒子和地球兩極高層空氣中的粒子相碰撞，造成氣體粒子被電離并發(fā)光的現(xiàn)象，而促使極光和伽馬射線等壯美景象產(chǎn)生的背后力量，和一個叫磁重聯(lián)的過程有關(guān)。

自然界許多最具爆發(fā)性的物理現(xiàn)象都與磁重聯(lián)密切相關(guān)。這些爆發(fā)性物理現(xiàn)象包括太陽耀斑，來自太陽系外恒星的伽馬射線暴等。太陽是很多空間天氣事件的源頭，源頭發(fā)生太陽爆發(fā)之后，高超音速的日冕等離子體物質(zhì)拋射產(chǎn)生的擾動會從太陽傳輸?shù)降厍?，常引起亞爆、磁層擾動和一些對人類生活有較大影響的空間天氣災(zāi)害，我們還可看到由高能粒子引起的極光等。磁重聯(lián)在這些空間天氣事件的源頭起著重要的作用。

近年來，科學(xué)家們通過衛(wèi)星探測、地面觀測和計算機模擬等手段,對太陽爆發(fā)等空間天氣災(zāi)害性擾動事件進(jìn)行研究，發(fā)現(xiàn)這一過程中釋放的巨大能量來源于一個空間等離子體基本物理過程——磁場重聯(lián)。各國都在積極開展研究，包括美國宇航局也擬在戈達(dá)德空間飛行中心發(fā)射4個磁重聯(lián)探測器對磁重聯(lián)現(xiàn)象做進(jìn)一步的深入。

（美國宇航局?jǐn)M在戈達(dá)德空間飛行中心發(fā)射4個磁重聯(lián)探測器）

太陽活動有兩個主要過程，一是太陽耀斑，二是物質(zhì)拋射。這些過程的能量從哪里來，其觸發(fā)機制是什么？科學(xué)家們認(rèn)為是聚集的磁場能量通過磁場重聯(lián)釋放出來的，就像磁場‘燃燒’一樣，磁場能量轉(zhuǎn)換成其他形式的能量，并加速粒子。

磁重聯(lián)是空間物理和空間天氣研究中一個十分重要的課題。人類要到太空中去，和平開發(fā)空間，就要能預(yù)測和預(yù)報太陽活動。因此，磁重聯(lián)研究也是當(dāng)前國際太陽物理，空間物理和等離子體物理的重點和熱點研究方向?？臻g的磁場有不同的來源，不同來源的磁場拓?fù)?/strong>結(jié)構(gòu)不同，不同的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)交叉的地方就可能產(chǎn)生磁場重聯(lián)。磁重聯(lián)涉及電磁場變化、粒子流、等離子體不穩(wěn)定性、極光等許多相關(guān)現(xiàn)象。

磁重聯(lián)研究的重要性在于它有助于人們理解和認(rèn)識太陽活動如何演變、如何觸發(fā)和如何預(yù)報。磁重聯(lián)的不穩(wěn)定性也發(fā)生在實驗等離子體中，與如何實現(xiàn)可控核聚變密切相關(guān)。磁場重聯(lián)涉及磁場拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)的變化，目前磁重聯(lián)的觸發(fā)機制，粒子加速過程，不同尺度的耦合和波粒子相互作用等基本問題還未徹底弄清楚。

日地空間是天然的實驗室，人類可以通過衛(wèi)星的遙測和局地觀測并結(jié)合計算機模擬開展研究。因此，了解日地空間的磁重聯(lián)現(xiàn)象有助于人們理解宇宙中發(fā)生的其他物理現(xiàn)象。我國目前已經(jīng)取得許多成績，包括各個方面和領(lǐng)域。在太陽物理方面, 通過空間全日面磁場、多波段電磁輻射和日冕儀觀測，發(fā)現(xiàn)太陽活動中存在大尺度或全球尺度的磁場連接性和相互作用，發(fā)展了在向量磁場中證認(rèn)三維磁零點的微分拓?fù)?/strong>方法。

在行星際物理方面，發(fā)展了對行星際磁重聯(lián)及其高能電子加速機制的新認(rèn)識。在磁層物理方面，首次在日地空間發(fā)現(xiàn)了無碰撞磁場重聯(lián)的觀測證據(jù)，該研究涉及困擾天體物理、空間物理和等離子體物理近半個世紀(jì)有關(guān)磁能快速釋放機制的重大難題。從宏觀和全面的視角審視不同環(huán)境的磁重聯(lián)，有助于我們更深刻地認(rèn)識磁重聯(lián)的本質(zhì)，在其本質(zhì)的認(rèn)識上取得突破。