中科院空间中心提出激波再形成证据

2020-11-16 来源:中科院网站 我要评论(0) 字号:

激波是宇宙中一种常见且基本的物理现象。在太阳系中,太阳风暴驱动的激波(CME-driven shock)可产生持久的太阳高能粒子事件和射电暴,行星的舷/弓激波(Bow shock)可改变太阳风粒子和磁场状态,日球层终止激波(Termination shock)能够加速新生离子产生异常宇宙射线。在天体物理中,超新星遗迹驱动的激波(Supernova remnant shock)能够产生银河宇宙射线(GCR)。近期,中国科学院国家空间科学中心空间天气学重点实验室研究员刘颍团队通过分析多卫星高分辨率数据,给出激波所固有的基本特性——激波再形成(shock self-reformation)的明确证据。

在20世纪80年代,基于早期的超算集群模拟,一些科学家提出在无碰撞等离子体中,较高马赫数激波(Supercritical shock)反射一部分上游入流离子,这些回旋反射的离子能够促使形成新的激波面,新的激波面生长成熟后,其能够取代老的激波面并反射上游离子,这个过程周而复始,称为激波再形成(shock self-reformation),是激波的一个基本物理特性。研究激波面再形成,有利于揭示无碰撞激波微观结构本身、了解能量耗散过程和理解高能粒子的加速机制。

目前,观测激波再形成大多是基于磁场变化,缺乏粒子证据。此前粒子探测数据时间分辨率低,这使学界尚不明确激波再形成的特性。激波再形成的确凿观测证据是个难题,其主要原因是观测需同时满足以下条件:(1)必须是多点卫星观测;(2)适当的卫星间距和相对位置,至少有两颗卫星沿激波法向分开一定距离,先后观测到的激波能够鉴别出演化过程又落在同一个再形成周期里边为最佳;同时,沿激波面方向也需至少两颗卫星以排除激波涟漪的影响;(3)穿越过程中对带电粒子速度分布函数的高分辨率、高质量、连续的观测。最近,国际上发射磁层多尺度星簇计划(Magnetospheric Multiscale Mission,简称MMS),4颗卫星位形及间距合适,能够以150毫秒和30毫秒的分辨率测量离子和电子的三维速度分布函数,为研究激波再形成过程提供机会。

研究团队副研究员杨忠炜基于MMS卫星的激波观测数据,利用磁场和等离子体探测器(Fast Plasma Investigation,简称FPI)的就地测量,首次观测到地球舷激波的完整再形成证据,从粒子动理学特性揭示再形成机制。研究发现,2016年1月11日,MMS穿越激波时,在激波法向的卫星间距分别在10~30千米(图1),MMS1和MMS2先后穿越的激波面的时间正好落在同一个再形成周期(约2.7秒)内。如图2(e)所示,MMS1首先观测到老的激波面正在强烈的反射太阳风离子,此时激波面处在再形成中陡峭而强烈(峰值接近60 nT)的时刻;MMS2观测到新老激波面此消彼长的过程,此时老的激波面减弱到40 nT左右,激波脚(foot)正在成长为新的激波面。根据理论,此时的新激波面不足以反射太阳风离子,它们能够直接穿过新激波面,直到遇见尚未消亡的老激波面才开始反射,这在图2(a)-(d)中得到证实。此外,MMS2还观测到被老激波面反射的离子在源源不断地往上游方向回旋,因此,在新的激波面处能够同时观测到入射的太阳风冷流和反射离子两种成分,而且两者在速度空间没有衔接,说明反射离子源自别处(连续的速度分布函数证明其源自老激波面处,如图3、图4)。上述观测结果与数值模拟的预言相吻合。

上述结果是首次完整的在离子回旋时间尺度上给出激波再形成过程中的电磁场演化和粒子动理学特性的直接观测证据。研究表明,再形成这个非稳态特性能够让激波面厚度、强度、电磁场位形发生剧烈变化,并且存在丰富的粒子动理学过程。以往理论研究表明,激波对粒子的加速机制(如激波冲浪加速机制等)依赖激波面的厚度和电磁场精细结构,而激波中的能量耗散与熵增过程取决于粒子速度分布函数的演化。因此,激波再形成被认为是无碰撞激波中决定能量耗散和粒子加速关键的基本物理过程之一。

相关研究成果以MMS direct observations of kinetic-scale shock self-reformation为题,发表在The Astrophysical Journal Letters上。

图1.MMS星簇在穿越地球舷激波时的卫星间距和相对位置

图2.MMS2(a-d)和MMS1(e)观测到激波再形成中不同时刻的动理学特性。新老激波面交替时,入射太阳风离子(标记为“I”)与反射离子(标记为“R”)形成了相空间涡旋(d中用虚线椭圆标出)。“RP”指离子反射点

图3.MMS2观测到的激波再形成中不同位置的离子速度分布函数特性

图4.MMS2从激波上游到下游连续观测到的离子速度分布函数三维可视化(150毫秒分辨率),包括激波再形成中的关键结构-相空间涡旋

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