2016年8月30日

太空中磁場結構重組的暫態變化vs.磁重聯

呂凌霄/中央大學地球科學院太空科學研究所教授,研究領域包含太空電漿物理、電腦數值模擬、太陽物理、磁層物理、行星際空間物理、激震波等。

(插圖:吳宛蓁)
 
磁重聯(magnetic reconnection)是最近媒體上一個很熱門的太空科學議題。這緣起於今年5月美國航太總署(NASA)的一篇新聞報導以及6月初Science期刊上的一篇文章。這些報導與文章都是介紹NASA之「磁層多尺度觀測任務(Magnetospheric MultiScale mission, MMS)」的觀測成果。筆者我和許多物理學家一樣並不認同磁重聯理論,因此本文將簡單介紹這個MMS觀測任務,接著介紹磁重聯模式所想要解釋的自然現象以及科學界對磁重聯理論的質疑,最後將陳述造成磁場結構重組的其他可能的物理機制,讓大家公開評論。

電漿與磁層的多尺度特性觀測任務
磁層是電離層之外、離地球最近的太空環境。就像所有的太空環境一樣,磁層中的介質是一種高溫的游離氣體,我們稱它為電漿。電漿物理過程就像大氣物理過程一樣,有很多簡化的模式,只適用於特定的「時空尺度」。在太空電漿環境中,最早吸引科學家注意的就是大尺度的磁流體現象,以及地表上方小尺度的電磁波被電離層折射與反射的物理過程。至於浩瀚的磁層與太陽風中,雖然也有許多中、小尺度的現象,但是受限於觀測儀器的解析度,以及人造衛星分佈的密度,這方面的觀測研究進展非常緩慢。

電漿中的特徵尺度,粗略的由小到大分類,可分為電子尺度、正離子尺度與遠大於正離子尺度的磁流體尺度。三者的大小各差3個數量級(約1000倍)。1960~1970年代的太陽風與磁層觀測,只能看到磁流體尺度的現象; 1980年代以來,太陽風與磁層觀測已經可以看到正離子尺度的現象。

這次的 MMS觀測任務,首次將解析度提升到接近電子的時空尺度。在時間解析度上,磁場觀測的解析度一向很高,1980年代就可以達到毫秒的時間解析度。可是電漿粒子速度分布的觀測,解析度一直都停留在1980年代ISEE人造衛星的3秒鐘時間解析度。這次的MMS任務,屏棄過去用掃描的方式觀測不同方位的粒子速度分佈,改為一百多個相同型式的粒子探測儀同步觀測,終於把電漿粒子速度分布的觀測時間解析度提升了約100倍,其中電子速度分布的時間解析度達到30毫秒,正離子因為動得慢,故設定時間解析度為150毫秒,以減少資料量。這樣的觀測技巧有賴精細的探測儀同步校正,是觀測技術上的一大突破。雖然速度分布觀測仍然比磁場觀測的時間解析度差,但是速度分布的資料量非常大,因此大約只有2~4%的高時間解析度的資料,能被下載到地面接收站,其他資料都被後來的觀測資料覆寫蓋過。

除了提升時間的解析度外,科學家也利用多顆人造衛星的同步觀測,來提升空間的解析度。首先在1970年代末期,為了區分時間與空間上的變化,美國與歐洲太空總署合作發射ISEE-1與ISEE-2人造衛星,接續觀測地球磁層頂與前方的艏震波結構。到了2000年歐洲太空總署第二次發射Cluster人造衛星群,由四顆相距4~10000公里的人造衛星,組成四面體結構,觀測近地太空環境中正離子尺度的物理現象。這次的 MMS人造衛星群,由四顆相距10~400公里的人造衛星,組成四面體結構,可觀測接近10倍於電子空間尺度的物理現象。.....【更詳細的內容請見科學月刊第561期】

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