第一个详细模型诞生：揭开水星磁化风和磁层之间的相互作用！

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水星是离太阳最近的行星，水星也是太阳系中两颗具有全球磁场的岩态行星之一，可以屏蔽宇宙射线和太阳风。现在，由普林斯顿大学太阳物理中心的物理学家董传飞（音译）和美国能源部普林斯顿等离子体物理实验室(PPPL)物理学家董传飞领导的研究团队，已经开发出第一个详细模型，描述了磁化风和围绕水星磁场或磁层之间的相互作用，这一发现可能有助于更好地理解火星周围的更强磁场。


研究使用了一种名为“Gkeyll”的新三维模拟代码，该代码在复杂宏观模型中结合了微观尺度行为的物理学。模拟将为前往水星的双卫星比皮科伦坡任务提供一个基本工具，董传飞也是航天器上一套由四台仪器组成的联合调查员。这项国际任务以帕多瓦大学已故数学家朱塞佩(Bepi)科伦坡的名字命名，由欧洲和日本航天局于2018年发射，计划于2025年抵达水星并开始轨道运行，其研究发表在《地球物理研究快报》期刊上。


研究将提供基于该模型的数字信息，这将有助于任务理解其发现。等离子体是由带正电的原子核和带负电电子组成的物质状态，占可见宇宙的99%。磁重联，即等离子体中磁力线的合并和猛烈分离，调节着水星磁层，水星磁层比地球磁层小得多，但也更具动态性。当太阳风袭击水星磁层时，重联就会发生，导致它的磁场从磁层前部(或日侧)循环到磁层的后部(或夜侧)，在那里重联发生，磁场循环回到日侧。


研究小组用Gkeyll模拟了史无前例的10个截然不同的变量，从而捕捉到了这一过程的物理过程。该模型捕捉到了重联点附近电子运动的重要方面，这是该过程中一个重要但鲜为人知的方面，与2011年至2015年围绕水星运行的NASA水星表面、空间环境、地球化学和测距(Messenger)卫星的观测结果非常吻合。虽然单卫星信使号不能同时从水星的日侧和夜侧区域收集数据，但双卫星比佩科伦坡任务将探测磁层的两侧。


此外，由于“信使号”的远心点或最接近水星的路径在北半球，南半球及其磁场还没有得到充分的探测。比佩科伦坡任务将覆盖两个半球。水星的一个奇特之处在于，它在北半球的磁场比在南半球磁场强三倍左右，而地球磁场基本上是南半球的三倍。在这两个行星上产生磁场的是导电熔融核心液态铁。在水星中，异常大核心延伸了内部半径的80%以上，将磁场与创造它的核心紧密地耦合在一起。


新模型使研究团队能够探索水星磁层的许多关键特征，例如太阳风和磁场之间的边界重新连接，以及磁场的来回循环。该模型揭示了电子物理在重新连接过程中的重要作用，由于空间中广泛分离的等离子体粒子不经常发生碰撞，因此重新连接过程是“无碰撞的”。该模型进一步揭示，磁层和大铁核之间的紧密耦合有助于保护水星免受太阳风侵蚀。这些发现“代表了建立一种创新革命性方法的关键一步”！


而得以提高对太阳风与距离太阳最近的水星不平衡磁层接触背后物理原理的理解。普林斯顿太阳物理中心主任、研究的合著者阿米塔瓦·巴塔查吉表示：该研究是验证我们在行星上建立空间天气模型努力的一个里程碑，并为预测地球上低强度和极端空间天气事件奠定了基础。
博科园｜研究/来自：普林斯顿等离子体物理实验室
参考期刊《地球物理研究快报》
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