基本介紹
- 中文名：螺旋磁零點
- 外文名：Spiral magnetic zeros
- 別名：磁零點
首次捕捉到宇宙中神奇“磁零點”,磁零點與磁力線,磁尾磁重聯湍動區域內磁零點簇的演化,磁場重聯擴散區域中磁零點結構的觀測,3-D磁場零點拓撲結構,磁零點對理解三維磁場重聯微觀過程的作用,湍動磁重聯中的間歇性能量耗散,
首次捕捉到宇宙中神奇“磁零點”
科學家只是從理論上推測，在太陽風暴、核反應中，“應該存在”一個非常重要而奇特的“點”——磁零點。中國天文學家通過衛星觀測數據，真實地“捕捉”到了宇宙中的磁零點。最新成果發表在出版的《自然·物理學》雜誌上。
為尋找磁零點，歐洲宇航局啟動了“星簇”計畫，連續發射了四顆衛星，中國也實施了“雙星”計畫。衛星在離地球約12.6萬公里的太空中，觀測到一次“太陽風暴”侵襲下的地球磁場。根據觀測數據，國家天文台肖池階副研究員、大連理工大學王曉鋼教授、北京大學濮祖蔭教授等為主的研究小組，首次發現了自然界中存在的磁零點。當期雜誌配發評論，認為這是磁重聯研究領域中“極其重要的”進展。
在神奇的磁零點上，發生著太空中十分常見的物理過程——磁重聯。在太陽風暴的“勁吹”下，“背風”處的地球磁場從原先的圓球形。磁力線在太陽風的“逼迫”下，不斷逼近磁零點。
磁零點與磁力線
當兩條磁極方向相反的磁力線與磁零點無限接近的那一瞬間，兩條磁力線開始“重新聯結”：同時從中斷開，並連線成兩條新的磁力線——一條帶著太陽風暴的電漿飛向太空，另一條則縮向地球，它所攜帶的高能粒子“撞”進地球南北兩極的大氣層，形成極光。
據國家天文台汪景琇研究員介紹，只是在理論上推測磁零點的存在，但這次利用該台趙輝博士發展的微分拓撲學方法，通過實際觀測數據分析，發現了磁重聯的中心區域存在磁零點，並計算出磁零點周圍的磁力線存在螺旋結構。
由於磁重聯存在於太陽耀斑、磁約束核聚變等重要物理過程中，是能量轉換和加速帶電粒子的基本機制之一，因此，這一發現有助於徹底解決磁重聯理論中一些長期懸而未決的難題。
磁尾磁重聯湍動區域內磁零點簇的演化
在2001年10月1日~09：43：45UT，Cluster衛星簇穿越了磁尾磁重聯區，衛星觀測到磁場的Bz分量存在雙極變化，同時伴隨著電子密度的增加以及能量大於keV的電子通量的增強。龐加萊指數（Poincaréindex）的計算顯示在該區域記憶體在磁零點。利用磁場重構方法，對這一區域進行三維可視化，發現多個磁零點共同存在於一個小於離子慣性尺度的區域內。對觀測到雙極Bz信號的時間段內的兩個時刻的磁場三維圖像進行了細緻分析。在第一個時刻的重構結果記憶體在5個磁零點，其中有兩個A型磁零點（標記為A1和A2，），另外3個為B型磁零點（標記為B1，B2和B3）。每個A型磁零點都和兩個B型磁零點通過separator相連線，一共存在4條separator.之後A1和B1以及A2和B2兩對磁零點相互靠近，並最終從重構區域內消失，只剩下一個B型磁零點。這個過程可能顯示了磁零點成對合併而消失的過程，也可能是兩個磁零點相距太近因而不能被重構方法反演出來。之後在重構區域內重新出現一對磁零點，而新出現的負磁零點是S型磁零點，即As型磁零點。兩個新出現的磁零點相互遠離，最終形成第二個時刻所示的結構。在第二個時刻中的As型磁零點通過separator同時連線兩個B型磁零點，形成B-As-B磁零點構型，並在沿著As型磁零點的spine線附近產生小尺度磁通量繩結構。該構型在二維投影線呈現出“次級磁島”的特徵。
重構結果所示的磁零點快速的運動和演化（移入或移出重構區域，合併消失及成對產生等現象）使得重構區內磁零點的數目不斷變化。磁零點簇的這種急促的演變過程使得磁場呈現出類似湍動的性質。湍動演化區域的大小在離子慣性尺度以下，因此該湍動特徵是離子尺度的一種現象。對磁場的功率譜進行分析發現，磁場功率譜符合冪功率譜，其冪率指數~11/3，具有離子尺度的湍動功率譜特徵。這段時間內伴隨的電子密度及被加速電子通量的升高可能與磁零點簇的演化有關。
磁場重聯擴散區域中磁零點結構的觀測
磁重聯是能量轉換的非常重要的基本電漿物理過程之一。過去磁場重聯的理論、數值模擬和觀測研究，大多是集中在二維模型下進行，而實際的磁場重聯涉及三維非線性過程，對於三維情況下磁場重聯及其相關的奇異結構的基本性質還未完全解決。通過高斯積分引入Poincaré指數，將其離散化，利用Cluster四顆衛星所測得的磁場。
3-D磁場零點拓撲結構
磁場零點即磁場消失為零的點，為了研究零點附近磁場的局部結構，不失一般性，將磁場零點取在r=0（r是位置矢量（x，y，z））處，利用Taylor展開（將其一階展開，即假設磁場在零點周圍是線性變化的）可以將零點附近的磁場表達為B（r）=δB⋅r。
套用該方法需要在空間中已知由某種物理量構成的封閉曲面。2000年發射的Cluster衛星簇在空間中構成四面體，同一時刻由它測得的磁場數據形成了空間封閉曲面，可以運用上述方法計算在某時刻是否觀測得到磁場零點。該方法可以判斷零點的存在，然後通過梯度矩陣特徵值特徵向量重構出零點附近磁場幾何結構。
磁零點對理解三維磁場重聯微觀過程的作用
磁零點研究對深入理解三維磁場重聯微觀過程有著至關重要的作用，Cluster星簇提供的空間四點探測數據，為研究磁場重聯中奇異點磁場位形結構提供了機遇。將數學上判斷奇異點的方法結合到空間多點磁場觀測數據，研究了磁場重聯擴散區中磁零點結構，通過計算零點位置和軌跡，估算了其運動速度和軌跡.研究表明在磁場重聯擴散區存在磁零點和可能的雙零點磁結構。當計算的Poincaré指數中間從−1到+1的過程中出現了值為0的時刻，分析這幾個時刻發現，計算得到的磁場散度和梯度的大小與值為−1的時刻十分接近。當Poincaré指數為−1或+1時，零點位於衛星四面體內；當Poincaré指數為0的時，認為該時間段磁零點仍存在，但靠近四顆衛星構成的四面體的某一個面，由於零點的運動在某些時刻落在了衛星四面體外，因此Poincaré指數為零。
Priest等人根據零點附近磁力線的運動特徵提出了三種零點重聯模型，即spine重聯，fan重聯和separator重聯。Spine重聯模型中電流沿spine軸。而在fan重聯模型中電流在fan面內。Separator重聯模型考慮一對由separator（即零點-零點連線）連線的零點，此時電流沿separator線。其中separator線是兩個fan面的交線構成，當fan面為空間曲面時，separator線也為空間曲線，並不是一般情況下簡單的直線結構。初步結合由磁場旋度得到的電流來判斷在零點處磁場重聯類型。計算了2001年10月08日事件中關注時間段的電流，得到As型零點spine方向與電流的夾角為41°，fan面法線方向與電流的夾角為33°；Bs型零點spine方向與電流的夾角為14°，fan面法線方向與電流的夾角為35°。結果表明該事件觀測到的零點周圍發生的磁場重聯似乎並不是理論上預期的這三種重聯中的任何一種。當同時存在平行和垂直於spine的電流時，零點附近的磁場重聯應該包含上述幾種磁場重聯的特徵。由於在計算磁零點和電流密度時，利用了線性假設，因此得到的電流並不一定準確。而且對於真正的磁場重聯零點而言，周圍的電漿流應該也存在一個奇異點。在非穩態的情況下，由於磁場與電漿流場之間的相互作用，X型點的空間位置將隨著時間而改變，由磁場重聯形成的磁島和電漿團也隨時間而運動。此外，三維非穩態的磁場重聯還可以形成磁通量繩。因此結合計算機模擬和衛星觀測，深入研究磁場重聯擴散區中關於零點和多零點結構和相互關係，伴隨零點的粒子的加速和波動過程及其與磁場重聯的內在聯繫，對理解和揭示三維磁場重聯的物理實質和微觀與耦合過程具有十分重要的意義。
湍動磁重聯中的間歇性能量耗散
為了揭示磁重聯中的能量耗散，首先要識別X線和O線。這需要（1）多顆衛星同時位於磁重聯擴散區內，並具有亞離子尺度的衛星間距；（2）一種能夠重構衛星周圍磁場拓撲結構的工具。歐洲航天局（ESA）的四顆編隊衛星Cluster可以滿足第一準則：2003年秋，Cluster衛星在地球磁尾探測到幾次磁重聯事件，離子擴散區的尺度為1000公里。在這些事件中，Cluster衛星間距為200公里，即1/5離子尺度，因此所有衛星同時位於擴散區內。而為了符合第二個標準，研究團隊最近開發並測試了一種新的方法，即一階泰勒展開（FOTE）。該方法在2015年以封面文章的形式發表於空間物理學著名期刊JGR上並受到了國際同行的廣泛關注。
北京航空航天大學國際交叉學院的研究團隊使用FOTE方法和Cluster衛星2003年的實測數據，揭示磁重聯中的能量耗散。他們在磁重聯擴散區發現很多燈絲電流和磁零點，最強的電流出現於螺旋磁零點（O線）和分形線上。在每個燈絲電流處，動力學尺度的湍動明顯增強，且能量耗散比典型值大100倍。在重聯射流的反轉處，即徑向零點（X線）處，電流、湍動和能量耗散都非常小。所有這些特點都清楚地表明，磁重聯的能量耗散發生在O點處而不是X點處。
相關研究成果發表於國際空間物理學著名期刊GeophysicalResearchLetters（GRL）上，並被美國地球物理協會（AGU）評為研究亮點（AGUResearchSpotlights）。美國地球物理學會（AGU）和歐洲空間局（ESA）分別對該項成果做出了專題報導。
