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强激光模拟日地磁场活动 探索太阳冕区

导读: 地球磁场保护着地球免受来自太阳及宇宙深处的高能射线的侵害。

  地球磁场保护着地球免受来自太阳及宇宙深处的高能射线的侵害。太阳风与地球磁场作用,会造成地磁场由于压缩拉伸甚至交叉而发生重联过程,导致磁场拓扑结构的改变并以高能粒子与射线的形式释放出巨大能量。对磁场重联物理过程的研究对人类的活动具有重要意义。磁场的重联过程被认为是太阳冕区物质抛射及耀斑等活动的成因;磁场重联过程密切影响着空间气候;即便是来自河外的高能宇宙射线,也有理论认为与磁重联过程密切相关。地球磁场因而成为科学家首选的研究磁重联物理过程的自然实验室。

  然而,与地球上实验室研究不同的是,通过人造卫星对地磁重联现象的研究具有极大的偶然性,要求在地磁重联发生的短暂时间内,卫星恰好在现场。因此,通过卫星观察到的不同时间地点的地磁重联现象会不一致。比如,在2003年1月14日,欧洲太空总署的Cluster-1卫星在地磁场的一个重联区中心位置,测量到一个细长的电子扩散区(EDR-electrondiffusionregion);但这一记录与2005年1月25日发现的19个EDRs全部分布在磁重联区两侧的观测存在极大差异。

  最近,中科院物理所/北京凝聚态物理国家实验室光物理实验室李玉同、上海交通大学张杰和国家天文台赵刚研究团队在上海高功率激光联合实验室神光II实验平台上,利用激光等离子体实验构造了相似的磁重联结构来研究重联过程中EDRs的特征。实验同时发现了磁重联区中心与两侧边缘一共三个EDRs,其中中心EDR的出现时间要略晚于两侧EDRs,但其速度明显要高得多。这一发现揭示了磁重联过程新的特征,为地磁重联观测的解读提供了新的思路。也是在这个实验中,研究团队还捕捉到了激光等离子体重联区产生的一个运动的“磁岛”,以及其运动导致的二阶电流层及明亮的尖状结构。这个发现,对人们理解太阳冕区物质抛射以及耀斑过程有重要意义。这项研究进一步表明,有别于天文物理研究中被动性较强的观测,实验室天体物理实验使得人们可以在条件参数可控的情形下,重复地、全过程地研究一些与天体相关的物理现象。

  图一:利用干涉方法得到测得的磁重联结构。图a和b对应两个不同时刻。电子耗散区在X1和X2之间。图c为等离子体自发光图像。图d为粒子模拟结果。图e为与c对应的示意图

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