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极地科学重点实验室在地球磁层动力学方面取得研究进展

发布日期:2022-01-17 09:55:35

极地科学重点实验室在地球磁层动力学方面取得研究进展


1942年,瑞典空间和天体物理学家Hannes Alfvén在《Nature》杂志上发表了题为“Existence of Electromagnetic-Hydrodynamic Waves”的研究论文,首次在理论上预言了等离子体中磁流体力学电磁波动的存在。为表彰这一突破性发现,Alfvén被授予了1970年的诺贝尔物理学奖,并且用他的名字命名了该磁流体力学波动—Alfvén波。地球磁层-电离层耦合是日地相互作用的核心课题,Alfvén波携带的极区场向电流在磁层-电离层耦合过程中发挥着至关重要的作用。因此,Alfvén波在地球空间环境的动力学过程中扮演着重要的角色。图1展示的是Alfvén波的能流通量与极光的强度对比,由图可见,Alfvén波的能流通量与极光强度的空间分布呈现很好的一致性。因此,深入理解地球磁尾中Alfvén波的激发和传播还可以很好的帮助我们预测和分析地球南北两极发生的极光现象。常见的Alfvén波激发机制有太阳风扰动和KH不稳定性,在理论上快磁声波通过波模转换也可以产生Alfvén波,但是在地球尾瓣中目前还没观测到波模转换产生Alfvén波的观测证据。

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2: Cluster卫星所处的空间位置

 

近日,极区空间物理与天文研究所(筹)极地大气与空间物理学研究团队(高空团队)在国际地球物理主流期刊 Geophysical Research Letters发表了题为“Evidence of Alfvén waves generated by mode coupling in the magnetotail lobe”的研究论文。该项工作使用欧空局(ESA)的Cluster卫星观测数据,首次在地球磁尾的尾瓣中发现了快磁声波与Alfvén波的波模转换现象。图2展示的是本次观测事件中Cluster卫星的空间位置,我们可以看到Cluster卫星大致处于尾瓣中。图3展示的是Cluster四颗卫星观测到磁场和等离子体Beta值,阴影部分为我们观测到的波动事件。通过等离子体Beta约为0.01,我们可以确认本事件处于地球磁尾尾瓣中。我们可以看出BY和BZ在阴影区出现了很明显的波动,而该区域的总磁场出现了明显的梯度。理论上,总磁场强度存在梯度的位置很容易发生波模转换现象。通过计算波动的传播速度,我们发现扰动磁场BY与Alfvén波的传播速度一致,而扰动磁场BZ与快磁声波的传播速度一致。该波动事件与波模转换理论预测的发生位置和Alfvén波的振幅非常吻合。因此,我们认为该事件是Cluster卫星在尾瓣中观测到了由磁声波波模转换产生的Alfvén波。

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该论文第一作者为中国极地研究中心孙继承副研究员,其他合作者分别来自中国极地研究中心高空团队、哈尔滨工业大学(深圳)空间科学与应用技术研究院,以及奥地利科学院太空研究所。该项研究工作得到了国家自然科学基金(41831072,41974185),上海市浦江人才计划(No.21PJD078),上海市科技创新行动计划(No.21DZ1206100),以及深圳市科技研究计划(JCYJ20210324121412034)的支持。

 

       相关论文:

1.     Sun, J., Wang, G., Zhang, T., Hu, H., & Yang, H. (2022). Evidence of Alfvén waves generated by mode coupling in the magnetotail lobe. Geophysical Research Letters, 49, e2021GL096359. https://doi. org/10.1029/2021GL096359

2.     Keiling, A. (2009). Alfvén waves and their roles in the dynamics of the Earth’s magnetotail: A review. Space Science Reviews, 142(1–4), 73–156. https://doi.org/10.1007/s11214-008-9463-8

3.     Alfvén, H. (1942). Existence of electrodynamic-hydrodynamic waves. Nature 150, 405–406




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