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堯中華等-GRL:木星極光與磁層能量的對應關系——Juno,哈勃太空望遠鏡與Hisaki衛星的聯合觀測證據
2020-01-01 | 作者: | 【 】【打印】【關閉

  極光是太陽系行星的普遍現象,甚至也被認為存在于系外行星。絢麗的光學現象背后對應的是豐富的空間等離子體過程。木星上擁有太陽系中能量最強的極光活動,而驅動木星極光的木星磁層空間有地球磁層空間的1000倍大。  

  在地球上,太陽風通過磁層頂的等離子體物理過程將能量和物質輸入進地球磁層,儲存為磁能,當地球磁層釋放能量時,極區出現絢麗的極光過程。在土星和木星上,極光過程則顯著不同。土衛二的羽狀水噴泉和木衛一的火山活動產生的等離子體被認為是土星和木星磁層空間等離子體的主要來源。傳統的觀點認為,由于角動量守恒的約束,土星二和木衛一產生的帶電離子在向中遠磁層擴散的過程中其角速度會降低,從而在磁層中形成等離子體的剪切流(即等離子體流有相對運動)。在木星上,該剪切流通常被認為存在于20-30個木星半徑,因此驅動一個環狀的粒子沉降以及形成行星極區表面環狀極光(圖1)。這個驅動也俗稱共轉破壞誘發驅動機制。     

圖1  地球視角下的木星北極光,網格線示意木星的經緯度

  共轉破壞誘發驅動機制自1979Hill提出來之后就迅速被學界接受,并一直是公認的巨行星極光驅動過程。這里需要提到,共轉破壞誘發驅動機制預測太陽風動壓增強極光活動會減弱,這與地球上的極光特征是相反的。自哈勃太空望遠鏡在上世紀90年代上天之后,我們對木星極光的直接觀測就逐漸變得常規化了,可以清晰地看到極光的各種特征,然而由于缺少直接的衛星就位觀測,我們看到極光的變化并不能直接確認是否符合共轉破壞誘發驅動機制。在卡西尼衛星2007年飛掠木星的過程中,Nichols等人將哈勃太空望遠鏡的極光觀測和卡西尼衛星在木星附近的空間環境測量結合起來,然而很意外地發現在太陽風動壓增強的時候,極光并沒有如共轉破壞誘發驅動機制所預期的減弱。恰恰相反,極光顯著增強。為了解決這一明顯的矛盾之處, Cowley等人提出了改進的共轉破壞誘發驅動機制,他們認為極光增強可能是瞬態過程而非平衡態,共轉破壞誘發驅動機制所預期的平衡態的極光減弱應該有一定的滯后性。 

  直到Juno衛星于2016年進入木星軌道之后,才真正實現了常規的聯合衛星就位觀測和極光遙感觀測。在2016年到2019年期間,中科院地質與地球物理研究所堯中華副研究員與列日大學太空中心主任Denis Grodent教授以及Bertrand Bonfond研究員等人主導了這一系列的聯合觀測研究,他們的研究發現共轉破壞誘發驅動機制所預期的極光過程并沒出現,且Cowley等人提出來的滯后的平衡態極光減弱也沒出現,因此說明了此前的木星極光理論可能都不能很好地解釋真實的木星極光過程。 

  他們通過對比20173月和7月的兩個時間段同時的Juno衛星和哈勃太空望遠鏡觀測資料,揭示出磁能轉換在驅動木星極光過程中的關鍵作用(圖2)。2017317-22日,哈勃太空望遠鏡觀測到持續增強的極光環,并且極光的強度還有1-2天時間尺度上的顯著變化。而201771-6日,哈勃太空望遠鏡持續觀測到非常弱的木星極光,說明整個這個時間段極光驅動過程都相對很弱。因此通過對比這兩個時間段Juno觀測到的差異,就可以確定極光驅動的主要機制。值得一提的是,這兩個時間段衛星的軌跡幾乎相同,因此可以消除空間效應,從而確定觀測差異對應的是真實的物理過程。他們的結果清晰地顯示了,在極光相對更強的2017317-22日,磁層的磁能顯著強于極光較弱的201771-6日。并且更進一步,他們發現在317-22日期間,增強的極光亮度變化與磁能變化是反相位的,與粒子能量變化是同相位的,因此他們提出,磁能的釋放導致粒子的加速以及極光增強現象。這一機制與共轉破壞誘發驅動機制是相互獨立的過程,而觀測資料與磁能堆積/釋放機制顯然更相符。 

圖2  Juno衛星觀測與同時的哈勃極光拍攝在兩個時間段的對比(2017年3月和7月)。(a、b)Juno衛星在比較時間區間內的飛行軌跡;(c、d)兩個比較時間段內的典型極光特征;(e、f)Juno衛星在兩個對比時間段內沿著飛船軌跡測量的磁場強度,其中藍色亮點區域是消除木星自轉效應的磁場演化;(g)是e和f消除木星自轉效應演化的直接對比 

  研究成果發表于國際權威學術期刊Geophysical Research Letters。(Yao Z H*, Grodent D, Kurth W S, et al. On the relation between Jovian aurorae and the loading/unloading of the magnetic flux: simultaneous measurements from Juno, HST and Hisaki[J]. Geophysical Research Letters, 2019, 46(21): 11632-11641.DOI: 10.1029/2019GL084201)(原文鏈接 

 
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