地球磁層是保護(hù)我們家園的最外層屏障，使地球上的生命免于遭受太陽(yáng)風(fēng)帶電粒子的轟擊。但是一小部分太陽(yáng)風(fēng)粒子仍可通過(guò)各種“窗口”入侵地球磁層。一些已探明的窗口主要發(fā)生于地球磁場(chǎng)活動(dòng)較為活躍的時(shí)期，而在地球磁場(chǎng)活動(dòng)相對(duì)平靜的時(shí)候，這種窗口在何處，以何種方式開(kāi)放，一直懸而未決。最近，一個(gè)由山東大學(xué)空間科學(xué)研究院和北京大學(xué)地球與空間科學(xué)學(xué)院的研究人員為主導(dǎo)的中歐美國(guó)際合作團(tuán)隊(duì)巧妙地利用多個(gè)航天器的聯(lián)合觀測(cè)數(shù)據(jù)，鎖定了這個(gè)窗口在高緯的位置，并以精細(xì)的計(jì)算機(jī)模擬和嚴(yán)密的邏輯論證解釋了其打開(kāi)的方式。
太陽(yáng)不僅照亮了太陽(yáng)系，還時(shí)時(shí)刻刻都在朝四面八方噴出以氫原子為主的等離子體。這些名為“太陽(yáng)風(fēng)”的高速等離子體流攜帶著巨大的能量沖擊著行星大氣層，試圖通過(guò)多種途徑入侵行星。太陽(yáng)系中有六顆行星具有全球性的磁場(chǎng)，地球是其中之一。這種全球性磁場(chǎng)可以有效的阻擋和偏轉(zhuǎn)大多數(shù)來(lái)自太陽(yáng)大氣的太陽(yáng)風(fēng)帶電粒子，并防止這些帶電粒子與行星大氣層發(fā)生直接的相互作用。在近地空間由地球磁場(chǎng)所控制的區(qū)域被稱為磁層，它是使地球生命得以保護(hù)以及空間飛行器免受損傷的最重要屏障之一。但磁層仍對(duì)小部分的太陽(yáng)風(fēng)帶電粒子開(kāi)放窗口，允許其進(jìn)入磁層，在一定的條件下，這些粒子可以有效的得到加速，參與到磁層、電離層和高層大氣中的許多物理過(guò)程，如：磁暴、磁層亞暴、極光和其他的空間天氣效應(yīng)，這些空間天氣效應(yīng)將給衛(wèi)星、通信網(wǎng)絡(luò)、電力設(shè)施和航天系統(tǒng)造成很大的危害，甚至威脅宇航員的健康。因此，研究太陽(yáng)風(fēng)等離子體如何進(jìn)入地球磁層是空間物理和空間天氣領(lǐng)域中最重要的課題之一。
太陽(yáng)風(fēng)本身攜帶著源于太陽(yáng)的磁場(chǎng)，稱作行星際磁場(chǎng)，它是控制太陽(yáng)風(fēng)粒子進(jìn)入量的一個(gè)重要開(kāi)關(guān)。當(dāng)行星際磁場(chǎng)呈南向時(shí)，一般認(rèn)為太陽(yáng)風(fēng)等離子體可以通過(guò)磁場(chǎng)重聯(lián)過(guò)程進(jìn)入了低緯區(qū)域。盡管之前有研究表明在行星際磁場(chǎng)北向期間（在此期間地球磁場(chǎng)一般是較為平靜的），可能會(huì)有更多的等離子體進(jìn)入磁層形成了相對(duì)厚的低緯邊界層和更加稠密的等離子體片，但在這些條件下太陽(yáng)風(fēng)進(jìn)入磁層的主要機(jī)制（以及穿越磁層頂?shù)奈恢玫葐?wèn)題）并不清楚，仍存在較多爭(zhēng)議。對(duì)于進(jìn)入磁層的太陽(yáng)風(fēng)等離子體是否是由于高緯磁重聯(lián)、脈沖穿透，抑或來(lái)自低緯發(fā)生的不穩(wěn)定性或者梯度漂移形成，現(xiàn)在仍無(wú)定論。
此外，人們對(duì)于中高度磁層極尖區(qū)之后的高緯極尖區(qū)的性質(zhì)了解甚少，部分原因是由于缺乏覆蓋此區(qū)域的空間探測(cè)任務(wù)。人們已經(jīng)知道的是，磁層的尾瓣(lobe)占據(jù)了高緯區(qū)域的磁尾大部分體積，是儲(chǔ)存磁能的區(qū)域，包括來(lái)自電離層的稀薄的低能離子。雖然以前的觀測(cè)和數(shù)值模擬已經(jīng)推斷其中的等離子體可能來(lái)自于磁層以外的區(qū)域，如磁鞘中被壓縮的太陽(yáng)風(fēng)可能會(huì)進(jìn)入高緯尾瓣區(qū)域，但幾乎沒(méi)有關(guān)于這些等離子體進(jìn)入的直接觀測(cè)，部分原因是這些區(qū)域缺乏局地的探測(cè)，這很大的限制了我們認(rèn)知這個(gè)區(qū)域的能力。而具備四顆衛(wèi)星的歐空局Cluster項(xiàng)目具有獨(dú)特的優(yōu)勢(shì)，它既有覆蓋這個(gè)區(qū)域的軌道，又有一套前所未有的多點(diǎn)衛(wèi)星探測(cè)系統(tǒng)。利用Cluster衛(wèi)星數(shù)據(jù)，科學(xué)家們?cè)诘厍虼艑痈呔晠^(qū)域發(fā)現(xiàn)了幾個(gè)新的且意想不到的太陽(yáng)風(fēng)進(jìn)入?yún)^(qū)域，即如圖所示，位于地磁活動(dòng)平靜期間極尖區(qū)尾向的尾瓣區(qū)域。通過(guò)多個(gè)觀測(cè)證據(jù)以及全球的磁流體力學(xué)（MHD）的數(shù)值模擬，科學(xué)家們討論了幾種太陽(yáng)風(fēng)粒子注入磁層的可能機(jī)制，最后認(rèn)定這些區(qū)域最有可能由高緯磁層頂發(fā)生的磁重聯(lián)產(chǎn)生。研究還發(fā)現(xiàn)，在地磁活動(dòng)平靜期間，這些區(qū)域的出現(xiàn)率足夠的高，說(shuō)明它們可能主導(dǎo)了等離子體進(jìn)入地球磁層的過(guò)程。
該項(xiàng)發(fā)現(xiàn)可能促使人們重新思考太陽(yáng)與地球生物圈演化的關(guān)系。當(dāng)前大氣氧含量為21%，但在地球46億年的歷史里卻并非一直如此。24.5億年前地球大氣氧含量突然從不足目前水平的十萬(wàn)分之一上升至目前水平的百分之幾，為單細(xì)胞生物向多細(xì)胞生物的演化鋪平了道路。主流觀點(diǎn)認(rèn)為，原始大氣中的甲烷分解后氫原子逃逸到太空中，留下的氧原子增加了大氣氧含量。但是當(dāng)前發(fā)現(xiàn)的太陽(yáng)風(fēng)氫離子進(jìn)入窗口則表明，無(wú)論行星際磁場(chǎng)的方向如何，億萬(wàn)年來(lái)太陽(yáng)風(fēng)可能一直在向地球大氣補(bǔ)充著氫原子。因此，科學(xué)家們?nèi)绻谒麄兊哪Ｊ街屑尤雭?lái)自太陽(yáng)風(fēng)的氫原子，可能會(huì)更加正確地理解地球大氣的損失過(guò)程。
日前，這篇題為《地磁平靜期太陽(yáng)風(fēng)向地球磁層高緯的進(jìn)入》的文章2月12日在線發(fā)表于《自然?通訊》，由北京大學(xué)地球與空間科學(xué)學(xué)院宗秋剛教授與山東大學(xué)空間科學(xué)研究院、山東大學(xué)威?？臻g科學(xué)與物理學(xué)院史全岐教授領(lǐng)導(dǎo)完成，受到了國(guó)家自然科學(xué)基金委、山東省自然科學(xué)基金委等項(xiàng)目的大力資助。
