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尧中华等-GRL:木星极光与磁层能量的对应关系——Juno,哈勃太空望远镜与Hisaki卫星的联合观测证据
2020-01-01 | 作者: | 【 】【打印】【关闭

  极光是太阳系行星的普遍现象,甚至也被认为存在于系外行星。绚丽的光学现象背后对应的是丰富的空间等离子体过程。木星上拥有太阳系中能量最强的极光活动,而驱动木星极光的木星磁层空间有首存3元送23彩金磁层空间的1000倍大。  

  在首存3元送23彩金上,太阳风通过磁层顶的等离子体物理过程将能量和物质输入进首存3元送23彩金磁层,储存为磁能,当首存3元送23彩金磁层释放能量时,极区出现绚丽的极光过程。在土星和木星上,极光过程则显著不同。土卫二的羽状水喷泉和木卫一的火山活动产生的等离子体被认为是土星和木星磁层空间等离子体的主要来源。传统的观点认为,由于角动量守恒的约束,土星二和木卫一产生的带电离子在向中远磁层扩散的过程中其角速度会降低,从而在磁层中形成等离子体的剪切流(即等离子体流有相对运动)。在木星上,该剪切流通常被认为存在于20-30个木星半径,因此驱动一个环状的粒子沉降以及形成行星极区表面环状极光(图1)。这个驱动也俗称共转破坏诱发驱动机制。     

图1  首存3元送23彩金视角下的木星北极光,网格线示意木星的经纬度

  共转破坏诱发驱动机制自1979Hill提出来之后就迅速被学界接受,并一直是公认的巨行星极光驱动过程。这里需要提到,共转破坏诱发驱动机制预测太阳风动压增强极光活动会减弱,这与首存3元送23彩金上的极光特征是相反的。自哈勃太空望远镜在上世纪90年代上天之后,我们对木星极光的直接观测就逐渐变得常规化了,可以清晰地看到极光的各种特征,然而由于缺少直接的卫星就位观测,我们看到极光的变化并不能直接确认是否符合共转破坏诱发驱动机制。在卡西尼卫星2007年飞掠木星的过程中,Nichols等人将哈勃太空望远镜的极光观测和卡西尼卫星在木星附近的空间环境测量结合起来,然而很意外地发现在太阳风动压增强的时候,极光并没有如共转破坏诱发驱动机制所预期的减弱。恰恰相反,极光显著增强。为了解决这一明显的矛盾之处, Cowley等人提出了改进的共转破坏诱发驱动机制,他们认为极光增强可能是瞬态过程而非平衡态,共转破坏诱发驱动机制所预期的平衡态的极光减弱应该有一定的滞后性。 

  直到Juno卫星于2016年进入木星轨道之后,才真正实现了常规的联合卫星就位观测和极光遥感观测。在2016年到2019年期间,中科院地质与首存3元送23彩金物理研究所副研究员与列日大学太空中心主任Denis Grodent教授以及Bertrand Bonfond研究员等人主导了这一系列的联合观测研究,他们的研究发现共转破坏诱发驱动机制所预期的极光过程并没出现,且Cowley等人提出来的滞后的平衡态极光减弱也没出现,因此说明了此前的木星极光理论可能都不能很好地解释真实的木星极光过程。 

  他们通过对比20173月和7月的两个时间段同时的Juno卫星和哈勃太空望远镜观测资料,揭示出磁能转换在驱动木星极光过程中的关键作用(图2)。2017317-22日,哈勃太空望远镜观测到持续增强的极光环,并且极光的强度还有1-2天时间尺度上的显著变化。而201771-6日,哈勃太空望远镜持续观测到非常弱的木星极光,说明整个这个时间段极光驱动过程都相对很弱。因此通过对比这两个时间段Juno观测到的差异,就可以确定极光驱动的主要机制。值得一提的是,这两个时间段卫星的轨迹几乎相同,因此可以消除空间效应,从而确定观测差异对应的是真实的物理过程。他们的结果清晰地显示了,在极光相对更强的2017317-22日,磁层的磁能显著强于极光较弱的201771-6日。并且更进一步,他们发现在317-22日期间,增强的极光亮度变化与磁能变化是反相位的,与粒子能量变化是同相位的,因此他们提出,磁能的释放导致粒子的加速以及极光增强现象。这一机制与共转破坏诱发驱动机制是相互独立的过程,而观测资料与磁能堆积/释放机制显然更相符。 

图2  Juno卫星观测与同时的哈勃极光拍摄在两个时间段的对比(2017年3月和7月)。(a、b)Juno卫星在比较时间区间内的飞行轨迹;(c、d)两个比较时间段内的典型极光特征;(e、f)Juno卫星在两个对比时间段内沿着飞船轨迹测量的磁场强度,其中蓝色亮点区域是消除木星自转效应的磁场演化;(g)是e和f消除木星自转效应演化的直接对比 

  研究成果发表于国际顶级期刊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: )( 

 
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