郭瑞龙等-APJL:土星日侧磁盘磁重联产生高能重离子


作者:j.zhong      编辑时间:2019/1/29 3:40:51


高能粒子是太空中多种爆发现象的重要参与者,例如高能质子和电子能够在地球极区电离层激发极光。与地球相比,巨行星的磁层内存在丰富的重离子(如土星磁层富氧离子、木星磁层富硫离子),被加热的重离子进入电离层后,可以产生X射线波段的极光,能量远高于地球极光。在粒子加速加热机制中,磁重联是重要机制之一。在行星磁层内,磁重联的分布能够影响磁层动力学过程,位置一般位于磁层顶和磁尾(图1)。日侧磁层顶磁重联将太阳风的能量和物质输入行星磁层,夜侧磁尾的磁重联过程则释放堆积在行星磁层内的能量。

 

1 土星磁重联区示意图。黑色曲线为磁层磁力线,箭头表示磁场方向。中间球体代表土星。土星左侧为日侧,右侧为夜侧。蓝色虚线为磁层顶,点虚线为弓激波。磁层顶上的紫色透明区域及夜侧的粉色和绿色透明区域为已被深入研究的磁重联易发区。磁层顶右方红色方框标记区域为本工作研究的日侧磁盘磁重联(Dayside Magnetodisc ReconnectionDMR)区域 

 

不同于地球,木星和土星两颗巨行星磁层内都存在能够喷发物质(二氧化硫或者水)的卫星,为磁层源源不断地提供重离子。同时,巨行星高速旋转产生的离心力使得重离子束缚在赤道平面并向外运输,最终形成唱片状的磁盘。磁盘演化过程中的非线性过程能够触发磁重联,将重离子团抛出磁盘。这一过程一般认为发生在巨行星磁层的夜侧,因此只会影响夜侧的磁场的活动。近期,日侧磁盘磁重联(DMR)被证实存在(见前沿报道《土星磁层新重联区》),颠覆了科学家此前对巨行星磁层动力学过程的认知。 

DMR对巨行星磁层动力学的影响需要更加深入的探索。中科院地质与地球物理所地球与行星物理院重点实验室的郭瑞龙博士后及合作导师魏勇研究员与客座学者尧中华博士等人,通过对卡西尼号飞船的土星探测数据进行调研,找出了33DMR事件,并对其中3个典型事例进行了深入分析。

研究结果显示:(1)日侧磁重联机制能够非常有效加速电子和重离子(氧离子),其加速产生的重离子为日侧极区辐射提供了重要的源;(2)在短时间内,可以观测到多个磁重联区,说明日侧磁重联过程是小尺度的,且可以密集地存在于日侧磁盘内:(3)研究还发现了‘次级磁岛’的存在(图2),展示了日侧磁盘磁重联区的复杂性。

 

2  日侧磁盘磁重联观测事例。浅红色覆盖区域为“次级磁岛(secondary island)”

 

该研究有望为研究木星X射线的产生机制,以及木星南北极光亮斑的点亮过程提供新的思路。

  

研究成果发表于The Astrophysical Journal Letters。(Guo R L, Yao Z H, Sergis N, Wei Y, et al. Reconnection acceleration in Saturn’s Dayside Magnetodisk: A multicase study with Cassini [J]. The Astrophysical Journal Letters, 2018, 868, L23. DOI:10.3847/2041-8213/aaedab)(原文链接

 

 



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