夜侧屏障温和地阻止“爆炸”等离子气泡

物理学家利用磁层浮力波的细节扩展了米对流模型

太阳风撞击地球的天侧磁气圈，像机翼上方的空气一样引起乱流。莱斯大学的物理学家们已经开发出新的方法来描述它是如何在夜晚影响太空天气的。

那里很少安静。太阳风绕着地球流动，在黑夜中飘移，但在离地球更近的地方，等离子体被湍流捕获，并下沉回地球。这种湍流会在等离子体中产生巨大的涟漪。

由约翰霍普金斯应用物理实验室的Gamera项目进行的磁流体动力学模拟显示，等离子体层中爆发的大量流动(红色和棕色)在靠近地球的一侧。莱斯大学的空间等离子体物理学家已经开发出了测量浮波的算法。由Gamera / JHUAPL)

在过去十年中开发的一些航天器和计算工具的帮助下，以空间等离子体物理学家Frank Toffoletto为首的Rice科学家现在可以评估由湍流引起的涟漪，即浮力波。

这些波，或称振荡，已经被观测到在沿着等离子体板底部的薄磁通层中，它远离行星的背面。赖斯理论是第一个量化它们运动的理论。

该理论为大米对流模型增加了另一个元素，该模型是一个已经建立了几十年的算法，帮助科学家计算内部和中间磁层对太阳风暴等事件的反应，这些事件威胁着地球上的卫星、通信和电网。

托福莱托、名誉教授理查德•沃尔夫和前研究生亚伦•舒特扎在《JGR空间物理学》杂志上发表的新论文，开篇就描述了通过等离子体尾巴落回地球的气泡——沃尔夫和赖斯校友杜安•本提乌斯在1990年预测的“大爆炸流”。

理查德•沃尔夫

弗兰克Toffoletto

从功能上讲，它们与由于重力而在大气中上下浮动的气泡相反，但等离子气泡却对磁场作出反应。当等离子体泡到达理论的、位于内等离子体层和保护性等离子层之间的丝状边界时，它们失去了大部分动量。

这使得制动边界进入一个温和的振荡，这仅仅持续几分钟，然后再次稳定下来。Toffoletto将这种运动比作拨动的吉他弦，很快就恢复了平衡。

“它的花哨名字是特征模式，”他说。我们正在设法找出磁气圈的低频本征模态。虽然它们似乎与磁层的动态中断有关，但人们对它们的研究还不多。”

Toffoletto说，Rice团队近年来通过模拟发现，磁气圈对太阳风的稳定驱动力并不总是线性响应。

“系统中有各种波型，”他说，并解释说剧烈的体流就是其中一种波型。“每次这些东西飞进来，当它们到达内部区域，它们基本上达到平衡点，并以一定的频率振荡。找到这种频率就是这篇论文的目的。”

根据忒弥斯宇宙飞船的测量，这些波的周期为几分钟，振幅通常比地球大。

他说:“了解这个系统的固有频率和它的运行方式可以告诉我们很多关于等离子体在夜间的物理性质、它的传输以及它与极光的关系。”“许多这种现象在电离层中表现为极光结构，而我们不知道这些结构从何而来。”

莱斯大学空间等离子体物理学家Frank Toffoletto的模拟实验显示，磁场中浮力波的振荡是由于剧烈的体流在夜间被地球吸引而产生的。由Frank Toffoletto提供

Toffoletto说，这些模型表明，浮力波可能在环形流的形成过程中发挥了作用，环形流由环绕地球的带电粒子和磁层亚暴组成，所有这些都与极光有关。

他说，不到十年前，许多磁层模拟“看起来会非常统一，有点乏味”。Rice小组正与应用物理实验室合作，将水稻对流模型纳入一个新开发的全球磁层代码“Gamera”中，Gamera是以虚构的日本怪物命名的。

“现在，有了更高分辨率的模型和更好的数值方法，这些结构开始出现在模拟中，”Toffoletto说。“这篇论文只是我们正在拼凑的系统行为之谜的一小部分。所有这些都在了解太空天气如何工作以及如何影响技术、卫星和地基系统方面发挥了重要作用。”

大米对流模型本身在本月的一篇论文中得到了更新，该论文的作者是最近的大米校友杨健(音)，他现在是中国深圳南方科技大学地球与空间科学副教授。

这项新研究得到了NASA太阳物理学支持研究基金的支持。