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插图:地球周围的巨大磁场(旋涡蓝线)。当地球穿过太阳风(橙色区域)时，它的磁场在其前方产生一个弓形冲击波(浅蓝色)。
当地球以超音速绕太阳旋转时，它在太阳风中开辟了一条路径。如果没有地球磁场的保护，这些从太阳外层发射的快速带电粒子流或等离子体将轰击地球大气层。
正如摩托艇在水中行驶时在其船身前形成弓形冲击波一样，当地球穿过太阳风时也会产生类似的效果。科学家们正试图解释地球磁场如何将强大的太阳风推到一边以避免灾难。他们早就知道部分答案:弓形冲击波将太阳风能量转化为储存在电子和质子中的热量。但是现在研究人员对这个过程是如何发生的有了重要的新线索。
美国马里兰大学领导的一项研究描述了对地球弓形冲击波中电子加热过程的首次观察。研究人员发现，当太阳风中的电子遇到弓形冲击波时，它们会立即加速到非常高的速度，使电子流不稳定并碎裂。这种挤压过程降低了电子的速度，并将能量转化为热量。这些结果为科学家理解地球磁场及其保护地球免受有害粒子和辐射损害的能力增加了一个新的维度。该研究论文发表在5月31日的《物理评论快报》杂志上。
"如果你站在山顶，你可能会被大风刮倒。"该项研究的主要作者、UMD天文系的科学家陈立人说。“幸运的是，当太阳风撞击地球磁场时，弓形冲击波减缓了太阳风的速度，并将其转化为温暖的微风，从而保护了我们。我们现在对这是如何发生的有了更好的了解。”
科学家们从美国宇航局的磁层多尺度探测项目中获得了数据。彩信项目由四颗相同的卫星组成。这些卫星携带研究地球磁场和太阳风相互作用的物理过程的仪器。这些卫星每30毫秒获得一次三维测量，在船头激波层获得数百次测量。这些来自彩信项目的高频精确测量对这项研究至关重要。
"通过彩信进行的极快测量最终看到了薄激波层中的电子加热过程."托马斯·摩尔是美国宇航局戈达德太空空飞行中心的高级项目科学家和研究伙伴，他说。“这是开创性的，因为现在我们有能力识别起作用的机制，而不仅仅是观察其结果。”
科学家已经知道弓形冲击波可以在一定程度上将电子能量转化为热量，而不会在电子之间发生直接碰撞。这意味着摩擦，一种地球上常见的生热方法，不适合在弓形冲击波中加热电子。
"这种对弓形冲击波中电子加速的新观察改写了目前对电子加热的理解."陈也是美国宇航局戈达德太空空飞行中心的研究科学家，他说。“例如，研究人员没有预料到弓形冲击波会将太阳风电子流加速到我们观察到的速度。”
在MMS项目的早期阶段，卫星通常离地球更近，所以它们经常会错过弓形激波。然而，突然的太阳风爆炸将船头激波推得更靠近地球，使卫星能够捕捉到稀有而详细的数据。抓住这一优势，研究人员观察了太阳风电子在撞击船头冲击波之前、时候和之后的流动。冲击加速的电子流变得不稳定，仅仅90毫秒后就完全破裂了。
“对电子加热的研究不仅对理解弓形冲击波如何保护地球很重要，而且对卫星和太平洋空旅行以及其他行星的未来探索也很重要。”陈和她的合作者给出了首个清晰的弓形冲击波中的电子在做什么的图片，希望鼓励其他科学家对电子加热、进一步的空观察和实验室实验进行计算机模拟。陈还希望进一步研究弓形冲击波加速电子流的机理。
编译:雷倩编辑:程建兰
资料来源:http://www . science daily . com/releases/2018/05/180531131134 . htm[/S2/]