新发现！地球“保护罩”两面可以“独自”运作 | 科技最前线

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对流是自然界中常见的现象，地球内部的地幔对流推动板块运动，海洋中的洋流和大气层中的对流对地球的天气和气候产生重要影响。这些对流现象构成了地球空间多样而丰富的动力学系统。

▲地球圈层的各种对流（图片来自网络）

太空中也有对流现象，地球磁层对流就是其中之一。地球磁层对流对地球周边空间天气发挥重要作用，像“保护罩”一样保护地球和航天器的安全。

太阳不停地将自身的带电粒子以太阳风的形式抛向宇宙空间。当太阳风抵达地球附近时，它与地球磁场相互作用。由于太阳风持续地压缩，地球磁场形成了一个被称为地球磁层的空间区域。

在这个区域的等离子体对流，可以引发地磁爆发活动以及壮观的极光现象，但地球磁层的变化对航天器的安全也是一个挑战。

等离子体物质的全球尺度对流，是地球磁层的基本特征，了解其运行规律对于我们了解磁层空间基本物理过程和空间天气预报具有重要的科学和应用价值。

在距离地球几万千米内的太空，等离子体对流仍然由地球自转运动主导。在离地球更远更广阔的几十万千米的地球磁层空间，驱动太空等离子对流主要是通过太阳风与地球磁场之间的相互作用来实现的。

▲近地太空对流示意图（图片来源：中国科学院国家空间科学中心）

太阳风的磁场和地球自身磁场的纠缠作用会产生磁重联。磁重联驱动磁层全球尺度的对流。按照面向太阳的位置划分，地球的磁重联分为日侧和夜侧磁重联。

此前的经典理论认为，日侧和夜侧磁重联两个驱动必须一起联合运作，才能影响全球尺度的对流，但是新发现改变了这一理论。

近期，中国科学院国家空间科学中心王赤院士团队，在地球磁层对流的研究中取得了新进展，成果发表于《自然·通讯》杂志。

科研人员发现，虽然现有的理论可以较好地解释小时量级等离子体对流周期的响应，但在解释10到20分钟的快速响应的对流时遇到了困难。 

科研人员通过实验室自主开发的全球数值模拟，结合卫星和地面观测数据，揭示了磁层对流快速响应的新模式。

在传统对流模式中，对流增强效应通过物质的实际移动来传递，类比于打开水库闸门放水导致水流增强，传递流动增强信号的方向和水流方向是一致的。

而此次新发现的快速响应的对流模式中，对流增强效应通过长程电磁作用的波相位传播，类比于红灯变绿灯导致的前行信号在排队的汽车长龙中传递，传递前行信号的方向和汽车移动方向是相反的。

数值模拟和观测数据分析表明，太阳风的南向磁场与地球磁场通过日侧的磁重联过程，直接驱动了磁层对流，对流增强在10-20分钟内即从日侧逐渐扩展到夜侧。

▲日侧驱动的磁层对流的示意图 E：对流电场 B：磁场 V：对流速度 123代表对流增强的顺序（图片来源：中国科学院国家空间科学中心）

研究结果表明，日侧磁重联和夜侧磁重联可以独立驱动磁层大尺度对流。

类似于地球圈层的其他对流现象，近地太空的磁层对流也会引起能量爆发活动（如磁暴、亚暴），影响太空中的天气，进而影响航天器的安全。

研究揭示的地球磁层空间对流新图像，可以在预期2025年发射的中欧联合空间科学卫星项目“微笑计划（SMILE）”任务中得到进一步检验。研究结果对于我们理解行星磁层空间的基本物理规律、提高太空天气预报的准确性具有重要的价值。