猛烈撞擊地球白晝側(cè)磁層的太陽風(fēng)會引起湍流，就像機翼上方的空氣一樣，萊斯大學(xué)的物理學(xué)家已經(jīng)開發(fā)出新方法來描述這如何影響夜間的太空天氣。那里很少是安靜的，太陽風(fēng)繞著地球流動，進入黑夜，但在離地球更近的地方，等離子體塊被湍流纏住，下沉到地球上。

這種湍流會在等離子體中產(chǎn)生巨大漣漪，在過去十年開發(fā)的幾個航天器和計算工具幫助下，由空間等離子體物理學(xué)家弗蘭克·托夫萊托領(lǐng)導(dǎo)的賴斯科學(xué)家：

現(xiàn)在可以評估湍流引起的漣漪，即所謂的浮力波。這些波，或振蕩，已經(jīng)在沿遠離行星夜側(cè)的等離子體片底部的磁通量薄層中觀察到，理論是第一個對它們運動進行量化的理論。這一理論為對流模型增加了另一個元素，這是一個成熟、醞釀了數(shù)十年的算法，可以幫助科學(xué)家計算內(nèi)部和中部磁層將如何對威脅地球衛(wèi)星、通信和電網(wǎng)的太陽風(fēng)暴等事件做出反應(yīng)。托夫萊托、退休教授理查德·沃爾夫和前研究生亞倫·舒扎在：

JGR《空間物理學(xué)》期刊上發(fā)表的新研究，首先描述了通過等離子體尾巴落向地球的氣泡，這是沃爾夫和校友杜安·龐蒂斯在1990年預(yù)測的“爆發(fā)性塊流”。從功能上講，它們與由于重力而在大氣中上下浮動的浮力氣泡相反，但等離子體氣泡對磁場的反應(yīng)卻相反。當?shù)入x子體氣泡到達內(nèi)部等離子體片和保護性等離子體層之間理論上的絲狀邊界時，它們就失去了大部分的動量。這將剎車邊界設(shè)置為溫和的振蕩，持續(xù)僅幾分鐘就會再次穩(wěn)定下來。

托夫萊托將這一動作比作一根撥動的吉他弦，很快就能恢復(fù)平衡。這個名字很花哨，叫做本征模式，研究人員正在試圖找出磁層的低頻本征模。雖然它們似乎與磁層的動態(tài)破壞有關(guān)，但對它們的研究還不是很多。研究團隊近年來通過模擬發(fā)現(xiàn)，磁層并不總是以線性方式對太陽風(fēng)的穩(wěn)定驅(qū)動力做出反應(yīng)。系統(tǒng)中有各種各樣的波浪模式，突發(fā)性散裝流就是這樣一種模式。每一次這些東西飛進來，當它們擊中內(nèi)部區(qū)域時，它們基本上都會達到平衡點；

并以一定的頻率振蕩，找到那個頻率就是本研究的全部內(nèi)容。根據(jù)THEMIS航天器的測量，這些波的周期是幾分鐘，而且振幅往往比地球大。了解系統(tǒng)的自然頻率和行為可以告訴我們很多關(guān)于夜間等離子體的物理性質(zhì)、它的運輸以及它可能與極光有關(guān)的信息。這些現(xiàn)象中有很多是以極光結(jié)構(gòu)的形式出現(xiàn)在電離層中，還不知道這些結(jié)構(gòu)從哪里來，模型表明浮力波可能在環(huán)流的形成中發(fā)揮作用。

環(huán)流由流動在地球周圍的帶電粒子和磁層亞暴組成，所有這些都與極光有關(guān)。研究人員表示不超過十年前，許多磁層模擬“看起來非常統(tǒng)一，有點無聊”。萊斯大學(xué)小組正在與應(yīng)用物理實驗室合作，將對流模型納入一個新開發(fā)的全球磁層代碼“Gamera”中。現(xiàn)在，有了這樣高分辨率模型和更好的數(shù)值方法，這些結(jié)構(gòu)開始出現(xiàn)在模擬中。所有這些都對理解空間天氣是如何工作的，以及這反過來如何影響技術(shù)、衛(wèi)星和地面系統(tǒng)起到了很大作用。

博科園｜研究/來自：萊斯大學(xué)

參考期刊《空間物理學(xué)》

DOI: 10.1029/2019JA027516

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