太阳风与地磁场的相互作用使得地球背阳面磁层被拉伸形成磁尾。磁尾由磁场方向互为反平行的两个尾瓣组成。在两个尾瓣之间磁场反向过渡的区域,磁场较弱,电流密度较大,一般称之为磁尾电流片。磁尾储存了磁层的大部分磁能,储存的磁能通过各种动力学活动,譬如磁重联,不稳定性等,在磁尾电流片中以等离子体高速流、波动等形式转化释放出来,造成地面地磁场扰动,并伴随极光活动的产生。多年来对地球磁尾电流片的观测表明,电流片存在拍动现象,表现为卫星多次穿越电流片,并且拍动能形成波动从午夜向磁尾两侧传播(图1)。然而,当前对电流片拍动形成的物理机制尚不清楚。
图1 地球磁尾电流片的拍动传播,未扰电流片在XY平面内
与地球不同,金星不存在全球内秉磁矩。但是太阳风与金星电离层的相互作用也能形成感应磁尾结构(图2)。曾有研究人员注意到金星磁尾电流片也存在拍动现象,但是不清楚该拍动是否如地球情形能形成波动从午夜向两侧传播。所以从一定程度上而言, 比较研究金星、地球的磁尾电流片拍动有助于揭示电流片的真实拍动机理,这对于比较探究电流片的动力学活动过程具有重要的物理意义。然而,由于当前行星深空探测依赖的基本都是单颗卫星的观测,单颗卫星的观测无法计算电流片的运动方向,因此也无法判断电流片的拍动能否形成波动传播。
图2 金星感应磁层的磁尾结构
为了研究金星磁尾电流片的拍动特征,中科院地质地球所地球与行星物理重点实验室戎昭金副研究员等人利用单颗卫星的磁场观测,发展了一个可定性诊断电流片拍动和传播的分析方法,并将该方法应用到金星快车探测金星的情形中。他们发现金星磁尾电流片存在两种拍动状态:1,稳定拍动,仅电流片来回摆动,摆动不形成波动传播;2,扭曲拍动,拍动能形成波动传播。研究还进一步发现拍动波的传播方向与地球的明显不同(图3),他们猜测,拍动波的激发源在电流片的两个侧翼处,很可能是外部磁鞘中的太阳风扰动激发了电流片的拍动。他们据此提出了一个猜想:对于含内秉磁矩的星体,其磁尾存在的拍动特征应该与地球磁尾类似,激发源在午夜,拍动向磁尾两侧翼传播;而对于无磁星体的感应磁尾而言,其拍动特性应该类似金星,激发源在电流片两侧翼。该猜想有望得到进一步工作的验证。
图3 金星感应磁尾电流片的拍动传播特性,未扰电流片在XZ平面内
以上研究成果近期发表在国际知名地球物理期刊Journal of Geophysical Research (Rong et al. Technique for diagnosing the flapping motion of magnetotail current sheets based on single-point magnetic field analysis. Journal of Geophysical Research, 2015, 120: 3462–3474),同时该文被Journal of Geophysical Research选为亮点文章(Rong et al. The flapping motion of the Venusian magnetotail: Venus Express observations. Journal of Geophysical Research, 2015, 120, doi: 10.1002/2015JA021317)。
原文链接
亮点文章