地球磁場是一個無情的太陽風粉碎機器

來自專欄博科園

當地球以每小時67000英里(108000公里/小時)的速度移動時，地球磁場將太陽風（太陽噴射出持續的等離子粒子流）推到一邊，就像高速行駛的汽艇船頭把水推開一樣。科學家們稱這種現象為「弓形休克」，因為它類似於一艘在波濤洶湧海面上疾駛而過的船。長期以來，研究人員一直懷疑，我們應該感謝這次弓形震波，因為它將灼熱的太陽風減弱為我們在地球上感受到的微風，但並不知道這是如何發生的。現在發表在《物理評論快報》雜誌上的一篇新論文給這個難題增加了幾十億個電子大小的碎片。

地球的磁場穿過強烈的太陽風，就像一艘船在水中航行一樣。圖片：NASA

在馬里蘭大學(University of Maryland)和美國宇航局(NASA)馬里蘭州戈達德太空飛行中心(Goddard Space Flight Center)的研究人員領導的一項研究中，科學家們深入研究了美國宇航局(NASA)的四顆衛星獲得的數據。他們發現，當太陽風撞擊地球的弓形激波時，太陽電子會加速得如此之快，以至於它們真的會分裂，將潛在的破壞性能量轉化為無害的熱量。這項研究的主要作者，馬里蘭大學的天文學家Li-Jen Chen在一份聲明中說：當太陽風撞擊地球的磁場時，弓形激波通過減緩風的速度並將其轉化為溫暖的微風來保護我們，現在更清楚這是怎麼發生的。

地球不斷地受到由太陽以太陽風形式釋放的質子、電子和離子組成的熾熱、濃稠的等離子體的轟擊。據美國國家航空航天局(NASA)的數據，這些風整天都在吹，從我們最近恆星發出的速度高達每秒鐘500英里(每秒800公里)，溫度高達290萬華氏度(160萬攝氏度)。你可能會認為這足以把我們的星球烤成一個巨大的、繞軌道運行的灰分，但是地球和它的大氣層在很大程度上是由於地球強大的磁場而毫髮無損的。陳和她的同事們知道，通過研究地球的弓形激波，他們可以找到行星偏轉的原因。他們從一開始就懷疑是電子造成：當太陽電子以超音速撞向弓形激波時，它們是在用能量換熱量。

在獵戶座星雲周圍的一顆年輕的恆星前面，一道弓形激波閃爍著。圖片：NASA and the Hubble Heritage Team STScI/AURA

該團隊在NASA的磁層多尺度任務(MMS)捕捉到的數據中尋找答案。該任務在2015年發射了4顆相同的衛星，以研究地球磁場與太陽風之間的相互作用。研究人員寫道，這些衛星上的儀器每30毫秒就能記錄到地球弓形激波附近粒子的詳細測量數據。這一處理速度在一場反常的太陽風暴中被證明是至關重要的。當突然的太陽風把地球的弓形激波推到離地球表面更近的地方時，NASA的衛星就能近距離觀察到太陽與弓形激波碰撞前後的等離子體流。一旦流擊中弓形激波，內部的太陽電子就會加速——非常快。在90毫秒內，電子加速得如此之快，以至於它們會變得不穩定並分裂成碎片。

研究人員說，這種分解剝奪了電子的能量，並將能量轉化為熱量。美國宇航局戈達德太空飛行中心的高級項目科學家托馬斯·摩爾在一份聲明中說：MMS的快速測量讓我們終於看到了薄激波層中的電子加熱過程。這是突破性的，因為現在我們有能力識別起作用的機制，而不僅僅是觀察其後果。研究人員說，確切地了解地球的弓形激波是如何保護地球免受太陽輻射的影響，最終可能會幫助科學家找到新的方法來保護衛星、宇宙飛船，甚至未來在其他行星上的定居地。但是現在，享受夏天的和風吧——而且要知道，在某處，地球的磁場正猛烈地將數十億的太陽電子撕成碎片。

博科園-科學科普｜文：Brandon Specktor/Live Science