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堯中華等-JGR:磁重聯和偶極化過程驅動木星的晨爆和極光注入現象
2020-09-02 | 作者: | 【 】【打印】【關閉

  木星上擁有太陽系中最強的極光現象,其紫外極光圖片提供了諸多豐富的特征。事實上,在哈勃太空望遠鏡對木星的首批極光觀測中,人們就發現了巨大的極光增強區域。根據極光形態和發生位置等特征,該現象被命名為木星極光晨爆(Auroral Dawn Storm)。雖然木星晨爆事件被發現至今已有20多年,其物理機制依然不清楚。其中一個主要的原因是缺乏木星晨爆事件對應的磁層觀測,因此很難判斷木星晨爆事件是由何種磁層過程所驅動。通常認為,木星磁層的磁重聯過程與晨爆事件有密切關系,此外,哈勃太空望遠鏡提供的越來越多的木星極光觀測顯示出木星的晨爆事件與木星極光向低緯度擴散有關聯。木星極光向低緯度擴散通常也被稱之為極光注入事件,其對應的是磁層內的熱等離子體從遠處向靠近木星的區域注入,最近可達到木衛一的軌道附近(約6個木星半徑處)。     

  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研究員等人主導了一系列的哈勃太空望遠鏡木星極光觀測項目,實現了同時完成衛星就位觀測和木星極光拍攝,獲得了一系列的木星晨爆事件和磁層擾動的聯合觀測。在2017513日至517日期間(圖1),哈勃太空望遠鏡進行了“準連續”拍攝,并且記錄了其中的一個發生在516日的“孤立事件”,即在前一天和后一天都處于平靜狀態的一次極光晨爆和極光注入同時事件。考慮到木星空間環境持續處于變化之中,這種“孤立事件”非常難得,能夠提供給我們極佳的機會來理解其發生機制。與孤立極光對應的是,木星磁場也在同一天出現了一個磁重聯“孤立事件”(空間等離子體能量釋放的最核心機制)。因此兩個獨立觀測設備中的同時“孤立事件”提供了強有力的支持證據將木星晨爆與磁重聯進行物理關聯。 

1 a)哈勃太空望遠鏡拍攝的木星北極極光;(bJuno衛星觀測的木星磁場徑向分量(Br)和南北向分量(Btheta

  通過分析大量哈勃太空望遠鏡拍攝的極光圖片,他們還進一步給出極光晨爆和極光注入的“共生”關系(圖2)。將2017516日極光注入區域沿磁力線追蹤到磁層中,恰好對應了磁層中觀測到的偶極化。因此他們的研究直接從觀測上推測出木星晨爆極光事件與磁重聯對應,而木星極光注入事件則與磁場偶極化對應。由于磁層中磁重聯和偶極化是強耦合的關系,因此物理上也很好地解釋了極光晨爆事件和極光注入事件經常共同出現。該研究還提出磁重聯區可以在一段時間內持續產生偶極化注入事件,由于偶極化過程是隨行星共轉的,因此這些先后產生的偶極化注入事件會在經度上有所區分,從而形成極光圖片上沿不同經度排列的多個極光注入事件,這也解釋了極光晨爆是與多個極光注入結構共同出現的極光現象(圖3)。 

2 選自哈勃木星觀測項目GO-146346次典型極光晨爆與極光注入同步發生事件 

3 示意圖顯示極光晨爆事件如何觸發多次極光注入,從而形成如下圖所示的極光特征,即一個極光晨爆與多個極光注入結構共同產生    

  研究成果發表于JGR-Space PhysicsYao Z H, Bonfond B, Clark G, et al. Reconnection and Dipolarization Driven Auroral Dawn Storms and Injections[J]. Journal of Geophysical Research: Space Physics, 2020: e2019JA027663. DOI: 10.1029/2019JA027663)(原文鏈接 

 
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