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地球磁層像篩網而非金鐘罩

科學家利用由四艘太空船組成的地球磁場探測艦隊—Cluster衛星群的探測資料,發現地球的巨大磁場泡泡作用方式比較像是篩網,在絕大部分狀況下可屏蔽來自太陽風(solar wind)的襲擊,但在某些狀況下卻可讓太陽風通過,真實的情況相當複雜。

地球磁場就像是在地球外圍展開一的道防護罩,是保護地球不受太陽風衝擊的第一層防護線。來自太陽的帶電粒子流,也就是俗稱的太陽風,挾帶著從太陽延伸而出的磁場,橫掃整個太陽系。當太陽風的行星際磁場(interplanetary magnetic field, IMF)與地球磁場排列方式不同時,地球環境所受到的影響及相對應的現象也不同。

其中一個著名的過程就是磁重聯(magnetic reconnection),也就是相反方向的磁力線會突然斷裂,並與鄰近的另一條磁力線重新連結的現象。在此過程中,電漿會以與原先不相同的方向重新進入地球磁層(magnetosphere),反倒像是地球磁層為太陽風另外開啟一扇門,讓太陽風粒子得以長驅直入,抵達地球。在某些情況下,這狀況將導致「太空天氣」,產生特別的極光、中斷GPS訊號或影響地表的電力系統。

2006年時,Cluster衛星群發現在磁層頂(magnetopause)—地球磁層的上端邊界,有個40,000公里寬的巨大電漿渦流;即使此時地球磁場和IMF同方向,這個渦流仍可讓太陽風進入磁層內。這個電漿渦流發現地點是在地球低緯度、近赤道的區域,這個地方的磁場通常是封閉的。

這些巨大的渦流應是被所謂的「卡耳文-亥姆霍茲效應(Kelvin-Helmholtz effect,簡稱KH效應)」的過程而驅動;自然界中只要有兩股不同速度的流體互相擦身而過時,就會發生這種效應。例如:大氣流動形成的風吹過海洋表面或雲朵時形成的波動。

分析Cluster衛星群觀測資料後,科學家發現KH波動也會大範圍地在磁層頂發生,特別是在IMF的朝向有部分與地球磁場不同時,當此現象發生時,便會持續將太陽風送近地球磁層中。

美國航太總署(NASA)哥達德太空飛行中心(Goddard Space Flight Cente) 科學家暨本篇論文作者Kyoung-Joo Hwang表示:他們發現當行星際磁場朝西或朝東時,高緯度地區的磁層頂邊界層很容易遭受KH不穩定性(KH instabilities)的影響;這些區域離先前觀測到的低緯度電漿渦流造成的波動很遠。這顯示:一般很難想像太陽風帶電粒子會滲漏進磁層中,但事實上,經由不同的磁場環境,太陽風會從好幾個不同的地點進入地球磁層,地球的巨大磁場泡泡並沒有原本想像中的那麼完美。

這項發現確認了Hwang等人先前相關理論與電腦模擬所做出的預測:地球磁層的性質比較像篩網,總有部分太陽風會從篩網的網洞中流進地球磁層中。此外,KH效應也曾在水星和土星的磁層中觀察到過;而Hwang等人的新研究成果,顯示太陽系各行星的磁層可能也都面臨了類似的狀況。這些發現,都有助於科學家繼續瞭解太陽風和行星磁層間的交互作用,對於未來的太空天氣預報研究應有相當助益。

資料來源:Earth’s magnetosphere behaves like a sieve. ESA [24 October 2012]

轉載自 網路天文館


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