磁重联,又称磁场湮灭 (2)

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NASA四顆衛星組成“太空網絡”探尋空間磁爆驅動力

2015-03-17 07:45  來源: 中國科技網-科技日報

     太陽耀斑爆發和日冕物質拋射的緣由一直令科學家十分困惑。研究表明,問題的關鍵在于磁力線突然地重新排布,這就是“磁重聯”。而這些劇烈的噴發會危及地球軌道上的宇航員,也會影響地面的電網,並幹擾人們的日常通信、天氣預報與導航所需要使用的衛星。但是,人們對磁重聯本身卻了解甚少。

       美國國家航空航天局(NASA)特別想要知道磁重聯對于將粒子加速至危險水平的更多細節內容3月13日,NASA執行了一項名為“磁層多尺度”任務(MMS)的計劃,成功發射了一枚“宇宙神”運載火箭,將四顆衛星運送至地球軌道,對空間磁場爆炸展開前所未有的細致研究。

       神秘的磁重聯

       所謂磁重聯,就是諸如地球磁場與太陽磁場連接、斷開接著再連接的過程,通常伴隨著巨大的能量釋放,可把粒子加速到接近光速。磁重聯現象在宇宙中十分普遍。

       NASA稱,磁重聯是太陽耀斑、日冕物質噴射等太陽活動及太空天氣事件的主要驅動力,是等離子體中能量釋放和粒子加速的基本途徑。

       在美國近期的空間探測計劃中,NASA的“磁層多尺度”任務是第一個用來在小尺度上了解重聯擴散區的計劃。據物理學家組織網3月14日(北京時間)報道,隨著NASA從佛羅裏達的卡納維拉爾角空軍基地成功發射升空了4顆衛星之後,目前,“磁層多尺度”任務已經隨著“宇宙神”運載火箭的順利發射而步入了正軌

       如今,對于地球與太陽之間的磁場邊界的特性,科學家還知之甚少,而NASA卻想要改變這一點,因為太陽表面的“火山噴發”,將會對軌道上和地面上的電子設備造成很大的威脅。這些衛星已經進入軌道開始研究神秘的磁重聯現象,而這一現象的發生過程被認為是推動太陽係中一些強勁爆炸的催化劑。

       當磁場連接、斷開連接,並重新配置爆炸,釋放出的能量可以達到數十億噸烈性炸藥(俗稱TNT)的效果時,會發生磁場重聯。這些爆炸可以通過空間以接近光速的速度把粒子飆升磁層多尺度任務將提供發生在地球磁場防護空間環境和磁氣圈中磁重聯的首個三維視圖。

       四顆衛星組成“太空網絡”

       “磁層多尺度”任務是由四顆相同衛星組成的探測係統,將攜帶相同的等離子分析儀、高能粒子探測儀、磁力計、電場儀器以及防幹擾設備。

       這四顆直徑3米、高1米的八角形小衛星像疊羅漢一樣串在一起,搭載在“宇宙神”火箭上,從佛羅裏達的卡納維拉爾角空軍基地發射,約1.5小時後,最上面的衛星率先進入預定軌道,其他三顆衛星每間隔5分鐘依次被釋放。從當地時間上周五中午12點16分開始,最後的分離發生在12點31分,NASA的科學家和工程師12點40分確認所有衛星狀況良好。

       NASA戈達德太空飛行中心的綠地項目經理克雷格·圖利説:“我很高興地看到所有四顆衛星已經部署,並且數據表明,我們有一支狀況良好的‘艦隊’。”

       此次發射計劃耗資11億美元。四顆相同衛星組成“太空網絡”將以“四面體”形狀在空間飛行,每個衛星相隔6英裏或250英裏,編隊環繞地球拍攝“磁場重聯”或磁場爆炸的3D圖像

       四顆衛星將在最好的實驗室——地球磁氣圈中,分析研究磁重聯現象並對磁層邊界區域進行三維測量。磁氣圈不斷傳輸著從太陽風到地球磁層的能量,給空間天氣造成混亂。研究人員將通過測量來驗證當前主流理論:磁場是如何重新連接的,以及連接的過程是怎樣的。磁重聯是整個宇宙中的一種基本物理過程,磁層多尺度任務將使人們在近地空間環境中了解這一動力過程

       推進磁重聯科學研究

       據專家介紹,這四顆衛星將以密集隊列飛行通過重聯活動的地區,使用更快速的傳感器,比以往任何任務要快百倍的速度來衡量空間環境。

       在接下來的幾個星期裏,NASA的科學家和工程師將在衛星上部署吊桿和天線,並測試所有儀器。該觀測站預計將在9月初被放入一個金字塔結構,以備科學觀察。

       在半年的測試期過後,磁重聯的科學探測將于今年9月正式啟動,任務為期兩年,有望幫助科學家研究空間氣候和宇宙磁場效應。

       美國聖安東尼奧西南研究院首席研究員吉姆·伯奇説:“在10年的規劃和工程之後,研究團隊打算進行研究工作,我們以前從來沒有這種機會能夠如此細致地研究這個基本過程。”

       科學家期望這次任務不僅有利于其更好地了解磁重聯,同時也將提供深入了解可以破壞現代技術係統,如通信網絡、GPS導航以及電力電網的強大事件的根源。

       通過在當地、自然實驗室研究重聯,科學家還可以了解其他地方的類似過程,如在太陽和其他恒星的大氣裏、在黑洞和中子星附近、在我們太陽係的日光層和星際之間的邊界空間。

       總部設在華盛頓的NASA太陽物理所臨時董事傑夫·紐馬克説:“團隊下一步重點是將推進磁重聯科學研究,而以前的任務從未以如此細節來觀察這個根本的過程。我們知識體係的深度和所認知的細節將要突飛猛進地增長。”

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发射4颗卫星追踪神秘磁重联现象

 

2015年03月13日 13:12:37来源: 新华网

    新华网华盛顿3月12日电(记者林小春)美国东部时间12日22时44分(北京时间13日10时44分),一枚“宇宙神”火箭搭载4颗卫星从佛罗里达的卡纳维拉尔角空军基地发射升空。美国航天局说,4颗卫星将用于研究宇宙中一种被称为磁重联的磁场相撞现象,这是科学家迄今了解甚少的神秘领域之一

    这项名为“磁层多尺度”的任务耗资11亿美元,4颗直径3米、1米高的八角形小卫星像叠罗汉一样串在一起。发射约1.5小时后,最上面的卫星率先进入预定轨道,其他3颗卫星按5分钟的时间间隔依次被释放。它们将组成金字塔状编队飞行,按计划将在半年的测试期过后于今年9月正式启动对磁重联的科学探测,任务期为两年。

    所谓磁重联,就是诸如地球磁场与太阳磁场连接、断开接着再连接的过程,通常伴随着巨大的能量释放,可把粒子加速到接近光速。磁重联现象在宇宙中十分普遍。

    美国航天局说,磁重联是太阳耀斑、日冕物质喷射等太阳活动及太空天气事件的主要驱动力。这些剧烈的喷发会危及地球轨道上的宇航员,也会影响我们的电网,并干扰我们日常通信、天气预报与导航所需要使用的卫星,但人们对磁重联本身却了解甚少。

    此前一些太空任务观测的仅仅是磁重联事件发生的证据,而“磁层多尺度”任务4颗卫星将飞到地球附近被认为会发生磁重联的地点直接进行观测。美国航天局估计它们每次穿越磁重联的时间都不到1秒钟,但其采集数据的速度比以前类似设备提高了100倍,足以在磁重联事件发生时进行观察和探测

    该任务首席科学家、美国西南研究院的吉姆·伯奇在声明中说:“有了‘磁层多尺度’,我们终于首次有机会从内部观察磁重联,而且就是在它发生的那一刻。”

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中国科学家首次观测到太阳上一全新物理现象

2016年06月22日 08:14:03 来源: 新华社

    新华社昆明6月21日电(记者岳冉冉)中国天文学家首次观测到了太阳上一个全新物理现象——磁重联可以释放磁纽缠。这是科学家利用中国自主研制的设备首次观测到这种新的现象,同时又通过磁流体力学数值模拟重现了这一物理过程。相关研究成果已于近日发表在国际权威期刊《自然·通讯》上。

    据论文通讯作者、中科院云南天文台闫晓理博士介绍,天文学家利用云南天文台抚仙湖观测站“一米新真空太阳望远镜”的高时间和空间分辨率Hα波段观测数据,结合太阳动力学天文台观测的紫外、极紫外和矢量磁场数据,以及日出和地球同步环境监测卫星等空间望远镜的X射线数据,详细研究了发生在2014年10月3日活动区12178中的暗条爆发中的磁重联过程,发现了在暗条细丝和周围的色球纤维之间发生了磁重联,并首次观测到通过磁重联把暗条的磁纽缠快速释放出去的物理过程。

    磁重联,又称磁场湮灭,是天体物理中一种非常重要的快速能量释放过程,也是磁能转化为粒子的动能、热能和辐射能的过程。普遍认为太阳上的能量释放就是磁重联导致的

    闫晓理进一步解释说:“纽缠的磁结构可以形象地比喻成非常缠绕的绳子,如果从绳子两头向相反的方向使劲拧绳子,绳子就会越来越缠绕,达到一定程度发生形变,最终导致断裂,这跟太阳上纽缠磁结构的爆发有点类似。当太阳上磁结构的纽缠达到一定程度时,就会不稳定,开始爆发并释放出能量。我们的研究就是发现了具有纽缠磁结构的暗条不稳定开始爆发,爆发过程中通过磁重联把暗条中磁纽缠释放出去。”

    该项研究成果由中科院云南天文台、南京大学、中科院紫金山天文台、德国波茨坦大学、中科院国家天文台合作完成。

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新华网北京9月5日电(记者吴晶晶、李斌)在浩瀚的太空中,发生着一种十分常见的被科学家称为“磁重联”的物理过程,导致了太阳耀斑、极光、磁暴等自然现象的产生。科学家们上个世纪七八十年代就提出了磁重联的三维理论模型,但至今没有真正观测到过。

    一个由我国科学家为核心的国际联合研究团队通过卫星观测数据分析,在世界上第一次真实捕捉到了“磁重联”现象这一太空磁场的“天然舞姿”。 

    “天然舞姿” 照片为地球磁层的示意图以及欧洲空间局“星簇”(Cluster)卫星探测到的“磁重联”三维几何结构。黄色框内为“磁重联”三维几何结构图。新华社发(资料照片) 

中国双星探测计划与欧空局“星簇”计划的成功对接

    随着人类的空间活动越来越频繁,国际上对空间天气的研究出现前所未有的关注。三维空间的磁重联现象是影响甚至主导诸如天体喷流、太阳耀斑、极光和磁暴等天文和空间现象的重要物理过程,是研究空间天气的重要基础课题。

    近年来,世界主要国家不惜耗费巨资,提出和实施一系列空间和地面探测计划,仅仅发射和计划发射的空间天气研究卫星就不下数十颗,建设了多个基于国家或国际合作的重大基础科学项目和大尺度基础研究平台

    伴随着我国步入空间大国的快速进程及对航天安全保障的新的更高更迫切的要求,在中国科学院空间科学与应用研究中心刘振兴院士等的大力推动下,我国实施了第一个空间科学探测计划——“地球空间双星探测计划”并与欧洲空间局 “星簇”(Cluster)计划开展了合作,形成人类历史上第一个对地球空间的六点立体探测体系,其观测数据和科学成果由双方共享

    中国科学院国家天文台副研究员肖池阶介绍说:“我们的成果正是星簇计划四颗间距10公里至10000公里、装备相同探测仪器的卫星提供的观测数据得出的,这是迄今为止唯一符合三维空间探测要求的卫星观测手段。” 

    “双星计划的实施和国家自然科学基金的支持提供了国际合作的机遇。”北京大学教授濮祖荫表示。

    在国家自然科学基金重大项目、“973”项目、中国科学院创新项目等支持下,科学家们于2005年底首次观测到了太空中磁零点的存在。此次三维磁重联几何结构的观测结果更是引起了国际学术界的广泛关注。

    “以前磁重联的三维几何结构都是理论上的,这一次我们用卫星把所有结构都探测清楚了。”北京大学教授王晓钢说。

方法上的突破打开了新发现的“神奇之门”

    在濮祖荫教授的电脑里,记者看到了海量的数据和纷繁复杂的线条、图表。要在浩如烟海的卫星观测资料中找出规律谈何容易。

    “最初我们完全没有卫星数据分析的经验,真正是‘白手起家’,边学边做。科学研究的过程也是人才成长的过程。” 濮祖荫说。

    此前,国内外科学家对太阳上磁重联结构和物理过程的研究一直在进行。国家天文台研究员汪景?L和博士研究生赵辉首次用一种被称为“庞加莱指数”的几何方法证明了太阳活动区上空由观测数据外推的磁场有三维磁零点存在。肖池阶等正是得益于这一方法上的突破,使数据分析过程豁然开朗。

    “我们抓住了空间中的一个磁重联事件,并利用“庞加莱指数”的方法证实了磁重联的三维几何结构。”肖池阶说,“这是学科交叉和团队协作的成果。

    说起这支团队,王晓钢很是感慨:“我们因为对同一个科学问题的共同兴趣走到一起,大家都能够沉下心来做学问,发挥各自特长,齐心协力、团结合作才能取得这样的成绩。”

这只是漫长过程中的一小步

    在航天飞行时,大磁暴、高能带电粒子可能会危及航天器的安全和航天员的健康甚至生命;在地球上,一些剧烈的空间天气过程甚至会影响短波通信和手机信号……

    目前很多国家都在致力于建立空间天气预报模型,但目前基本处于起步阶段。这一研究成果将有助于对磁重联现象进一步深入理解,使得今后建立空间天气预报模型能更加准确

    “目前,国内外很多科学家已经开始着手开展三维空间的理论和数值模拟研究。我们一刻也不能懈怠。”濮祖荫说。

    “接下来,我们还将继续研究磁重联的物理过程具体是怎样发生的、到底是电子还是离子在起主导作用等。”王晓钢说,“这些问题目前国际科学界争议很大,大家都希望尽快通过实验研究和卫星观测得出科学的论断。”

    “我们只是完成了漫长过程中的一小步。”科学家们对此非常清醒。

http://news.xinhuanet.com/english/2015-03/13/c_134063971.htm

NASA launches 4 spacecraft to study magnetic reconnection

English.news.cn   2015-03-13 11:05:15

   

WASHINGTON, March 12 (Xinhua) — U.S. space agency NASA on Thursday launched four identical spacecraft to study how magnetic fields like those around Earth and Sun interact as part of efforts to understand space weather events that could disrupt power grids, communications and navigation systems.

Known as the Magnetospheric Multiscale (MMS) mission, these spacecraft, stacked one atop the other, blasted off at 10:44 p.m. EDT (0244GMT Friday), from Cape Canaveral Air Force Station in Florida aboard an Atlas V rocket.

The 1.1-billion-U.S.-dollar project will study a phenomenon called magnetic reconnection, which occurs when magnetic fields connect and disconnect with an explosive release of energy that can accelerate particles up to nearly the speed of light.

Magnetic reconnection is a major driver of solar activity and space weather events such as solar flares and coronal mass ejections," NASA explained in its blog.

“These violent outbursts can be harmful to astronauts in orbit, and can affect our power grid and disrupt the satellites we use every day for communications, weather forecasting and navigation."

Unlike previous missions that have observed only evidence of magnetic reconnection events, MMS has sufficient resolution to observe and measure reconnection events as they occur, NASA said.

While MMS will fly through reconnection regions in less than a second, key sensors on each spacecraft are able to capture measurements 100 times faster than any previous mission, the space agency said.

The quartet will fly in a pyramid formation to provide the first three-dimensional view of magnetic reconnection. They will observe reconnection directly in Earth’s protective magnetic space environment known as the magnetosphere.

Each of the four MMS spacecraft is octagonal in shape, about 11 feet (3 meters) across by four feet (1 meter) high. They have 100 instruments on board, 25 on each unit.

“By studying reconnection in this local, natural laboratory, MMS helps us understand reconnection elsewhere, such as the atmosphere of the Sun, the vicinity of black holes and neutron stars, and the boundary between our solar system and interstellar space," NASA said.

The spacecraft will begin science operations in September after a six-month “checkout" period. Their primary mission is expected to last two years.

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In 2016 the MMS mission was the first to directly detect magnetic reconnection (the phenomenon which drives space weather) in the Earth’s magnetosphere.[12]

The mission is broken into three phases. The commissioning phase will last approximately five and a half months after launch, while the science phases will last two years. The first science phase will focus on the magnetic boundary between the Earth and Sun (day side operations) for one and a half years, with the spacecraft formation orbiting the Earth at 2,550 by 70,080 km (1,580 by 43,550 mi). The second science phase will study reconnection in Earth’s magnetic tail (night side operations) for half a year, increasing the orbit to 2,550 by 152,900 km (1,580 by 95,010 mi).[1]

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