地球的磁场护罩没有破裂

编译:无穷的探索  文章来源:ESA  发布时间:2011-3-7

科学家们首次观测了因受同一次的太阳风的影响而导致地球和火星的大气离子的损失。ESA的围绕地球的Cluster太空探测器和围绕火星的火星快车太空探测器在这两颗行星直线排列时收集到了氧离子流失的对比数据。这项研究再次证实了地球磁场对于保护我们大气层的重要性,而这一重要性在近年遭到了质疑。

金星、地球和火星组成相同,但它们以不同的方式演变所以现在看起来它们像是远亲而不是同胞手足。金星的大气比地球厚得多,所以在可见光波段看不到金星表面,而火星的大气则极为稀薄。

太阳风下金星、地球和火星磁圈形状的艺术想象图
图片来源:ESA

它们的差异部分可以归因于它们和太阳间的距离不同,金星因为离太阳更近而导致温室效应失控。多年以来,科学家们一直认为地球的磁场对于保护大气层不被太阳风吹走起到极为关键的作用。而火行则相反,它的磁场发动机在40亿年前即已停止工作,所以火星遭到了太阳风的无情的肆虐。

“磁场的保护效应很容易理解,也很容易被计算机模拟所证明,所以大家都认为这一理论是理所当然的。”德国马克斯·普朗克太阳系研究所的Yong Wei说道。

但最近几年有些科学家在估算了地球、火星和金星的氧离子流失比率后发现三者似乎差不多,所以开始怀疑磁场保护理论是否正确。当然由于这个对比是在不同的太阳风的条件下进行的,所以其结论本身就不可靠。“受到很多因素的影响,行星的氧离子的流失率的差异可以达到2个数量级,这些因素包括太阳风动压和极端紫外辐射水平。”Wei评论道。

现在在Wei负责的一项新的研究中,科学家们对比了ESA的Cluster太空探测器和火星快车探测器在2008年1月份收集到的同一次太阳风造成的地球和火星大气中氧离子流失率的数据。而且当时地球和火星是在太阳的同一侧直线排列,所以它们遭受了同等水平的极端紫外辐射,这增强了观测条件的一致性。

科学家们比较了当太阳风动压在增加相同量的情况下地球和火星大气中氧离子流失的量。这让科学家们可以直接估算出地球磁场保护大气的效应。他们发现当太阳风动压增加2-3个nPa时——大约分别是地球和火星遭受的太阳风动压平均水平的两倍和四倍——火星氧离子流失率比地球的高出一个数量级。氧离子的这种损失上的差别在数十亿年的时间尺度上对地球和火星造成了巨大的影响。

科学家们进一步利用这次地球和火星直线排列的机会来研究轨道半径在行星大气演变过程中所起的作用。为达此目的,科学家们需要确定一个影响地球和火星的太阳风中的一个相同区域。这个相同区域称为共转相互作用区(CIR),这是太阳风中高速流和低速流之间相互作用所形成的一个压缩区域。

共转相互作用区扫过地球和火星。图片来源:ESA

研究的第一部分是当太阳风动压增加时对于地球和火星大气中氧离子流失相应增加的比例进行对比。研究的第二部分是比较当CIR相同的部分扫过地球和火星时两者大气中氧离子的流失量的大小。由于太阳风动压强度和离太阳的距离两者呈平方反比关系,所以CIR相同部分的太阳风动压在火星上要比地球小43%。

通过比较Cluster和火星快车所获得的数据,科学家们发现在这些条件差异下地球和火星的氧离子的流失增率是在同一个数量级上。因为科学家们已经确认了地球磁场的保护功能,所以这一相当的流失增率可以归因于火星距离太阳更远。这是首次获得可观测的数据证明距离对于行星大气的演变起到重要作用。

“金星和火星一样也没有全球性的磁场,但金星的大小和地球差不多。因此这对于我们更好地理解地球磁圈的作用非常重要。” 马克斯·普朗克太阳系研究所的Markus Fraenz说道,他是论文共同作者之一。

即将来临的几次行星直线排列提供了更多的机会。“接下来的几个月太阳、地球和火星之间会形成很好的直线排列,而许多太空探测器,包括火星快车和NASA的STEREO太阳观测台所获得的数据都可以进行共同分析。”火星快车项目科学家Olivier Witasse说道。

在这些研究中Cluster探测器依然有重要作用,因为它是唯一一个可以进行此项观测的近地太空探测器。另外科学家们还渴望了解这次太阳活动周期中即将来临的太阳活动高峰对于大气离子的损失会有何种影响。“欧洲的各项太阳系观测任务,因其具有独有的观测能力,将会在这次太阳活动高峰研究中起到关键作用。” Cluster项目科学家Matt Taylor总结道。

编者注
  • 本次研究所用到的氧离子流失的数据是由Cluster离子质谱仪(CIS)和火星快车太空等离子与高能原子分析仪(ASPERA) 于2008年1月份获得的。共转相互作用区(CIR)则是由NASA的STEREO和ACE太空探测器以及CLUSTER和火星快车探测器记录到的。
  • Cluster太空探测器是由4个围绕地球运转的探测器组成,这是首个对近地磁圈物理现象有能力进行三维研究的任务。Cluster于2000年发射升空,4个完全相同的探测器组成锥形绕地运行,其运行的标称极轨近地点是4个地球半径,远地点为19.6个地球半径(1个地球半径=6380公里)。Cluster载有最为先进的等离子分析仪,可以在宽频范围测量电磁场,以及测量能量范围从接近0eV到几个MeV的电子和离子的关键物理参数。这一科研项目是由英国卢瑟福-阿尔普顿实验室的联合科学中心(JSOC)负责协调,由位于德国达姆斯塔德的ESA的欧洲太空操作中心(ESOC)负责执行的。
  • 2003年3月发射的火星快车是ESA首个探测太阳系中其它行星的探测器。火星快车承载着来自全欧洲研究机构提供的7个实验设备,它具有遥感测量大气、地面及地下的能力。火星快车于2003年12月到达绕火星轨道,从那时起,火星快车已经获取了大量数据,这些数据有助于人们解决关于火星地理、大气、地表环境、水的历史和是否可能有潜在生命等一系列问题。

原文链接:http://sci.esa.int/science-e/www/object/index.cfm?fobjectid=50113

您还未添加分享代码,请到主题选项中,添加百度分享代码!

您可以选择一种方式赞助本站

目前评论:2   其中:访客  2   博主  0

  1. avatar 18983839805 5

    18983839805189-838331261898383657518983836234189838363391898383563218983838963

  2. avatar 18983839805 5

    18983839805189838372451898383657518983836234189838363391898383563218983838963

评论加载中...

发表评论

:?: :razz: :sad: :evil: :!: :smile: :oops: :grin: :eek: :shock: :???: :cool: :lol: :mad: :twisted: :roll: :wink: :idea: :arrow: :neutral: :cry: :mrgreen:

图片 表情