当太阳风穿过地球磁层时 它形成一个静止的表面波

任何超音速流体遇到障碍物时，都会形成冲击波。当超音速太阳风撞击地球磁层时，会在磁层边缘之外形成冲击波，将速度减慢到亚音速。在某些情况下，这些亚音速太阳风会变成湍流，而这些随机无序的湍流就是攻击磁层并产生静止表面波的“不速之客”。

走在小溪边，我们经常看到水往石头上流，撞击后会从石头的两边流过来。事实上，当太阳风撞击地球磁层时，产生的表面波也随着太阳风沿着它们之间的边界向后传播，并在边界上产生波纹。

最近发表在《自然通讯》的一项研究表明，一些“波”恰恰相反：太阳风的能量与地球周围的磁层“气泡”相互作用，产生看似静止的表面波。这些波比随着太阳风传播的波持续时间更长，这意味着它们在空间加速带电粒子的时间更长，这可能会对地球的辐射带、极光、电离层和其他区域产生潜在影响。

太阳风是如何与地球磁层相互作用的？科学家是如何发现这些驻波的？它们真的会影响地球吗？

“不速之客”敲出了静止的面波。

我们知道，太阳是一个温度很高的大气质量，它的主要成分是氢和氦。太阳喷射出的带电粒子被形象地称为太阳风。

“我们在地球上，有一个‘防护罩’，就是磁层。它可以阻挡太阳风对地球的冲击。如果没有磁层，太阳风的高温气体可以直接到达地球表面，对地球造成不小的损害。”西南交通大学物理科学与技术学院粒子天体物理团队负责人刘四明教授介绍。

刘思明说，事实上，你可以想象在地球中央有一块非常大的磁铁，它有北极和南极。磁铁的磁场在地球附近的空间形成磁层。我们必须知道太阳风一直在与地球的磁层碰撞。如果太阳风是中性的，磁层就无法阻挡这些高速高温的粒子。但事实上，太阳风中的大多数粒子都是带电的，所以磁层将太阳风中的带电粒子挡在地球之外。

关于太阳风与磁层的相互作用，中国科学院国家空间科学中心副研究员李做了一个形象的比喻：地球磁层就像一艘在超音速太阳风中航行的大船。正常情况下，太阳风与地球磁层“相遇”时，会在磁层边缘产生表面波，就像船只行驶时两边的波纹一样，这些表面波会随着太阳风传播到磁层的尾部。

在这项最新的研究中，英国伦敦帝国理工学院的空间物理学家马丁阿彻和他的团队发现，当太阳风脉冲撞击磁层时，形成的波不仅在地球的两个磁极之间“反弹”，而且与太阳风的传播方向相反，脉冲攻击处的波似乎是静止的。

对此，李解释说，当船在水中航行时，这些波光粼粼的涟漪一定会扩散到船尾。“这项研究是指一个‘不速之客’突然撞上了船，形成了一个大洞。对船来说，这个洞就像‘静止不动’一样。”

那么，这位“不速之客”是谁呢？事实上，当任何超音速流体遇到障碍物时，都会形成冲击波。当超音速太阳风撞击地球磁层时，会在磁层边缘之外形成冲击波，将速度减慢到亚音速。在某些情况下，这些亚音速太阳风会变成湍流，而这些随机无序的湍流就是攻击磁层并产生静止表面波的“不速之客”。

那么，科学家是如何发现这些驻波的呢？“基于数值模拟，研究团队建立了磁流体模型。基于对磁场和太阳风的相关物理知识和理解，利用计算机模拟了太阳风与磁层的相互作用。”刘四说。

据介绍，由于地球空间中时变、多分量、多自由度的相互作用，传统的理论分析变得非常困难。数值模拟作为近几十年发展起来的一种新的研究方法，对地理空间研究的理论和应用产生了深远的影响。随着计算能力的不断提高，数值模拟的研究和应用范围不断扩大，研究和应用的周期大大缩短。

“数值模拟有助于加深对观测现象的理解，拓宽对探测区域外空间的认识。与广阔的地球空间相比，任何探测卫星和地基设备探测到的面积都非常有限。如何利用有限的区域数据了解整个空间？基于基本物理过程的空间模型是不可或缺的工具。”刘思明表示，该模型具有真正的可测试性，可以直接与观测数据进行比较，并为局部模型提供宏观启示。

在这项研究中，研究人员考虑了在整个磁层表面形成的波，并根据美国宇航局太空探索卫星的观测数据创建了一个模型。发现太阳风脉冲撞击磁层时，形成的波在地球的两个磁极之间来回“反弹”，形成一个与太阳风方向相反的波。研究人员还利用该模型解释了太阳风产生的能量和磁层产生的波是如何相互抵消的。

在刘思明看来，研究论文之所以能够认证这种浪潮的存在，其实取决于三个方面。一方面，多颗卫星同时在不同地点观测；另一方面，通过相关理论模型模拟磁层与太阳风的相互作用；最后，结合相关理论分析，理解这些模拟结果和观测结果。“综合这三个方面后，研究人员可以确认，卫星探测到的一些信号确实来自太阳风和磁层正对面的一个相对稳定的点。”他说。

带电粒子经过“加热”后可能会损坏航天器。

如果这些驻波真的存在，它们真的有可能对地球辐射带、极光、电离层等区域产生潜在影响吗？

“日常生活中，我们用微波炉加热食物。设定的时间越长，食物就会越热。同样，静态表面波将持续有效地加热周围的带电粒子。”李解释说，如果这些波确实存在，它们对研究地球附近的空间有很大价值，因为带电粒子经过“加热”。

此外，研究人员认为这些波也可能产生于宇宙的其他地方。对此，李文亚认为这是有可能的，但如果要了解波的形成、发展和它后续的影响，地球空间是最好的“试验田”，因为围绕着地球空间环境的探测器非常多，发射运行成本也相对较低。

当前，中国科学院与欧洲航天局联合研制中的“微笑”卫星，创新性地利用太阳风与磁层碰撞产生的X射线，对磁层“拍照”。借此，我们将有望首次看到磁层边缘的复杂波动。