新研究揭示了木星奇特不对称极光活动的耐人寻味的秘密

摘要:

极光显示继续引起科学家们的兴趣,无论这些亮光是照耀在地球上还是其他星球上。这些光掌握着行星磁场的构成以及磁场如何运作的线索。关于木星的新研究证明了这一点,并增加了人们的好奇心。阿拉斯加大学费尔班克斯地球物理研究所空间物理学教授彼得·德拉米尔是一个由13名研究人员组成的国际团队中的一员,他们取得了与太阳系最大行星极光有关的关键发现。

该团队的工作于2021年4月9日发表在《科学进展》杂志上。这篇研究论文名为 "木星不寻常的磁层拓扑结构如何构造其极光",作者是香港大学地球科学系的Binzheng Zhang;德拉米尔是主要合著者。

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德拉米尔利用新开发的木星磁层全球磁流体动力学模型所做的研究,为科罗拉多大学博尔德分校的研究员Fran Bagenal在2010年的一篇论文中提出的一个此前饱受争议和批评的观点提供了证据:木星的极帽部分是封闭的磁场线穿行,而不是完全的开放磁场线穿行,太阳系中的大多数其他行星都是如此。

"我们习惯于倾向于两极化,要么是开放的,要么是封闭的,无法想象一个两者都有一点的解决方案,"自2000年以来一直研究木星的德拉米尔说。"然而事后看来,这正是极光对我们的启示。"

开放线是指那些从一颗行星上发出,但却在远离太阳的太空中尾随而去,而不能够与对面半球的相应位置重新连接。例如,在地球上,极光出现在一个被称为极光椭圆的区域周围的封闭场线上。这是地球磁轴两端附近的高纬度环,但不在两端。然而,在地球上的那个环内,与太阳系中的其他一些行星一样,是一个被称为极冠的空点。这是一个磁场线不连贯地流出的地方--极光也因此很少出现。想象一下,家里如果没有完整的电路就没有灯。

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然而,木星却有一个极地帽,极光在其中耀眼夺目。这让科学家们感到困惑。德拉梅尔说,问题在于,研究人员在思考木星问题时,由于他们对地球自身磁场的了解,所以以地球为中心。

于是,德拉米尔和研究小组的其他成员利用计算机建模寻求帮助。他们的研究揭示了一个基本封闭的极地区域,有一小块月牙形的开放磁通区域,只占极帽区域的9%左右。其余的地方都是活跃的极光,标志着封闭的磁场线。

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事实证明,木星在其极帽中同时拥有开放和封闭的混合线。这揭示了什么?它提出了许多关于太阳风如何与木星的磁层相互作用并影响动态的问题。例如,木星的灵动极帽可能是由于这颗行星的快速旋转--每10小时一次,而地球每24小时一次--以及其磁层的巨大。两者都减少了太阳风的影响,这意味着极冠磁场线不太可能被撕开成为开放线。

而木星的卫星木卫一在多大程度上会影响木星极冠内的磁力线呢?木卫一与木星有电动力学上的联系,这在太阳系中是独一无二的,因此它的母星会不断地剥离重离子。正如论文所指出的那样,"木星磁层的磁力结构以及木星极光究竟在告诉我们木星的拓扑结构是什么,研究人员仍未得出结论。"

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