2022年7月2日,星期六

60年之久的快速磁爆之谜被解开了

这不仅仅是科学上的好奇。

太阳耀斑能产生足够的能量供全世界使用2万年。它们是由太阳上的磁重联所释放的最具戏剧性的重大事件所产生的。然而,导致磁爆炸的原因仍然难以捉摸。

对这一过程的完全理解可以帮助科学家深入了解核聚变,并提供更好的粒子预测来自太阳的风暴会影响地球轨道技术。

美国宇航局磁层多尺度任务(MMS)的科学家们提出了一种新的假设,解释了最具爆炸性的磁重联类型——快速重联是如何发生的。它还描述了为什么它以一致的速度发生。

这项新研究的第一作者、新罕布什尔州达特茅斯学院的物理学教授、MMS理论和建模团队的副负责人刘怡欣说:“我们终于明白了是什么让这种类型的磁重连接如此之快。我们现在有了一个理论来充分解释它。”

磁重联是一个多层面的能量转换过程,发生在等离子体.等离子体立即将磁能转化为热和加速度。虽然磁重联有几种类型,但有一种特别令人困惑的变体被称为快速重联,它以可预测的速度发生。

MMS项目科学家、马里兰州格林贝尔特NASA戈达德太空飞行中心的研究科学家芭芭拉·贾尔斯说,“我们已经知道,快速重新连接以一定的速度发生,这似乎是相当恒定的。但到目前为止,是什么推动了这一速度一直是个谜。”

一项新的研究解释了重连发生的速度,特别是在无碰撞等离子体中。无碰撞等离子体是指其粒子足够分散,以至于单个粒子之间不会发生碰撞的等离子体。在太空中发生重连的地方,大多数等离子体都处于这种无碰撞状态,包括处于太阳耀斑以及地球周围的空间

等离子体中的带电粒子在快速磁重联过程中停止成群运动。它们开始独立运动,产生霍尔效应,从而产生一个不稳定的能量真空,重新连接发生。来自能量真空周围磁场的压力导致真空内爆,以可预测的速度迅速释放出大量的能量。

新的理论将在未来几年通过MMS进行验证,MMS使用四艘以金字塔状环绕地球飞行的航天器来研究无碰撞等离子体中的磁重联。在这个独特的空间实验室中,MMS可以以比在地球上更高的分辨率研究磁重连接。

贾尔斯“最终,如果我们能理解磁重联是如何运作的,我们就能更好地预测影响地球上我们的事件,比如地磁暴和太阳耀斑。如果我们能够理解重新连接是如何启动的,这也将有助于能源研究,因为研究人员可以更好地控制核聚变装置中的磁场。”

期刊引用:

  1. 刘,YH。,Cassak, P., Li, X. et al. First-principles theory of the rate of magnetic reconnection in magnetospheric and solar plasmas. Commun Phys 5, 97 (2022). DOI:10.1038 / s42005 - 022 - 00854 - x
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