[科普中國(guó)]-磁場(chǎng)重聯(lián)

磁重聯(lián)是等離子體中磁場(chǎng)能量快速轉(zhuǎn)換為粒子動(dòng)能和熱能的主要途徑，是空間物理和等離子體物理中的

重要現(xiàn)象。磁重聯(lián)過(guò)程發(fā)生在磁場(chǎng)的拓?fù)浞中蚊嫔希贿@種分形面一般是由磁零點(diǎn)附近磁場(chǎng)梯度張量的本征矢量確

定的。磁零點(diǎn)的三維特性要求至少空間4點(diǎn)的同時(shí)測(cè)量。C

簡(jiǎn)介磁場(chǎng)重聯(lián)（magnetic reconnection），或磁力線重聯(lián)（magnetic field line reconnection），又稱(chēng)磁場(chǎng)湮滅，是天體物理中一種非常重要的快速能量釋放過(guò)程，也是磁能轉(zhuǎn)化為粒子的動(dòng)能、熱能和輻射能的過(guò)程。普遍認(rèn)為太陽(yáng)上的能量釋放就是磁重聯(lián)導(dǎo)致的。

磁場(chǎng)重聯(lián)，取描述磁力線“斷開(kāi)”（break）再“重新連接”（reconnect）的物理過(guò)程的意思。磁場(chǎng)重聯(lián)是科學(xué)家迄今知之甚少的神秘領(lǐng)域之一，美國(guó)國(guó)家航空航天局(NASA)最近一項(xiàng)日地探測(cè)任務(wù)——磁層多尺度任務(wù)(Magnetospheric Multiscale，MMS)，將對(duì)此進(jìn)行深入研究，以大大增進(jìn)人們對(duì)這一現(xiàn)象的了解。

2016年6月21日，中國(guó)天文學(xué)家首次觀測(cè)到了太陽(yáng)上一個(gè)全新物理現(xiàn)象——磁重聯(lián)可以釋放磁紐纏。

基本概念太陽(yáng)耀斑爆發(fā)太陽(yáng)大氣層中的突然爆炸，在短短幾分鐘內(nèi)釋放出相當(dāng)于數(shù)十億顆原子彈的能量。耀斑的起因是太陽(yáng)磁場(chǎng)突發(fā)的重新排布。這些磁場(chǎng)從太陽(yáng)表面向上拱起，可以通過(guò)在磁場(chǎng)束縛下的發(fā)光氣體來(lái)追尋它們的蹤跡。

03年10月底11月初，科學(xué)家目睹了一場(chǎng)有記錄以來(lái)最大的太陽(yáng)耀斑(solar flare）爆發(fā)。這些帶電粒子大規(guī)模地傾瀉而出，即使在地球以及地球周?chē)目臻g里也顯而易見(jiàn)——這里距離源頭整整有1.5億千米遠(yuǎn)。舉例來(lái)說(shuō)，突擊到我們鄰近空間中的粒子，它們的轟擊有時(shí)會(huì)非常強(qiáng)大，以至于許多科學(xué)衛(wèi)星和通信衛(wèi)星不得不暫時(shí)關(guān)閉，少數(shù)還遭到永久性的損傷。同樣，國(guó)際空間站的宇航員也面臨著危險(xiǎn)，不得不到空間站上防護(hù)相對(duì)較好的服務(wù)艙中尋求庇護(hù)。在地球上，定期航班避開(kāi)了高空航線，因?yàn)樵谀抢?，飛行員可能會(huì)遇到無(wú)線電通訊方面的問(wèn)題，乘客和乘務(wù)人員可能吸收到的輻射劑量令人擔(dān)憂。電網(wǎng)也不得不嚴(yán)格監(jiān)控電涌(surge）。盡管有了這些努力，瑞典南部的5萬(wàn)戶居民還是短暫地失去了電力供應(yīng)。

幸運(yùn)的是，即使與最糟糕的太陽(yáng)風(fēng)暴狹路相逢，地球的磁場(chǎng)和大氣層也可以保護(hù)地球上絕大多數(shù)的人免遭蹂躪。但是社會(huì)對(duì)科技的依賴日益加深，使得在某種程度上，幾乎每個(gè)人都容易遭受攻擊，參見(jiàn)《科學(xué)美國(guó)人》2001年4月號(hào)詹姆斯·L·伯奇所著《太空風(fēng)暴的怒吼》一文。在大耀斑爆發(fā)的過(guò)程中，最大的潛在破壞來(lái)自那些高速射離太陽(yáng)外層大氣的物質(zhì)——在空間物理學(xué)家的術(shù)語(yǔ)中，它們被稱(chēng)為“日冕物質(zhì)拋射（coronal mass ejections）”。其中一些拋射事件會(huì)將巨量的電離氣體送入與地球相撞的軌道中，就像2003年多次異常巨大的耀斑爆發(fā)那樣。

名字命名盡管科學(xué)家一直想弄清楚是什么引起了耀斑爆發(fā)和日冕物質(zhì)拋射（它總是伴隨著眾多耀斑出現(xiàn)），但只有十年中，觀測(cè)才達(dá)到足夠的水準(zhǔn)，足以揭露出它們的紛繁復(fù)雜，闡明它們背后的物理機(jī)制。這多虧了20世紀(jì)90年代引入的一些新技術(shù)。結(jié)果證明，問(wèn)題的關(guān)鍵在于磁力線突然的重新排布，這種現(xiàn)象被稱(chēng)為磁重聯(lián)（reconnection）。

磁扭纏2016年6月21日，中國(guó)天文學(xué)家首次觀測(cè)到了太陽(yáng)上一個(gè)全新物理現(xiàn)象——磁重聯(lián)可以釋放磁紐纏。

這是科學(xué)家利用中國(guó)自主研制的設(shè)備首次觀測(cè)到這種新的現(xiàn)象，同時(shí)又通過(guò)磁流體力學(xué)數(shù)值模擬重現(xiàn)了這一物理過(guò)程。相關(guān)研究成果已發(fā)表在國(guó)際權(quán)威期刊《自然·通訊》上。該項(xiàng)研究成果由中科院云南天文臺(tái)、南京大學(xué)、中科院紫金山天文臺(tái)、德國(guó)波茨坦大學(xué)、中科院國(guó)家天文臺(tái)合作完成。

論文通訊作者、中科院云南天文臺(tái)閆曉理博士介紹，天文學(xué)家利用云南天文臺(tái)撫仙湖觀測(cè)站“一米新真空太陽(yáng)望遠(yuǎn)鏡”的高時(shí)間和空間分辨率Hα波段觀測(cè)數(shù)據(jù)，結(jié)合太陽(yáng)動(dòng)力學(xué)天文臺(tái)觀測(cè)的紫外、極紫外和矢量磁場(chǎng)數(shù)據(jù)，以及日出和地球同步環(huán)境監(jiān)測(cè)衛(wèi)星等空間望遠(yuǎn)鏡的X射線數(shù)據(jù)，詳細(xì)研究了發(fā)生在2014年10月3日活動(dòng)區(qū)12178中的暗條爆發(fā)中的磁重聯(lián)過(guò)程，發(fā)現(xiàn)了在暗條細(xì)絲和周?chē)纳蚶w維之間發(fā)生了磁重聯(lián)，并首次觀測(cè)到通過(guò)磁重聯(lián)把暗條的磁紐纏快速釋放出去的物理過(guò)程。

紐纏的磁結(jié)構(gòu)可以形象地比喻成非常纏繞的繩子，如果從繩子兩頭向相反的方向使勁擰繩子，繩子就會(huì)越來(lái)越纏繞，達(dá)到一定程度發(fā)生形變，最終導(dǎo)致斷裂，這跟太陽(yáng)上紐纏磁結(jié)構(gòu)的爆發(fā)有點(diǎn)類(lèi)似。當(dāng)太陽(yáng)上磁結(jié)構(gòu)的紐纏達(dá)到一定程度時(shí)，就會(huì)不穩(wěn)定，開(kāi)始爆發(fā)并釋放出能量。我們的研究就是發(fā)現(xiàn)了具有紐纏磁結(jié)構(gòu)的暗條不穩(wěn)定開(kāi)始爆發(fā)，爆發(fā)過(guò)程中通過(guò)磁重聯(lián)把暗條中磁紐纏釋放出去1。

磁力線的交錯(cuò)“等離子體”想要理解磁重聯(lián)事件確切的發(fā)生過(guò)程，首先必須大致了解一下，不可見(jiàn)的磁拱如何束縛住太陽(yáng)大氣層中的熾熱氣體。把這樣的氣體稱(chēng)為“等離子體”（plasma）更為恰當(dāng)，因?yàn)樗饕怯上嗷シ蛛x的電子和質(zhì)子構(gòu)成，這意味著它是導(dǎo)電的。因此，電場(chǎng)可以推動(dòng)這些帶電粒子沿著電力線運(yùn)動(dòng)，產(chǎn)生電流。磁場(chǎng)也會(huì)對(duì)這樣的帶電粒子施加作用力，使它們繞著磁力線盤(pán)旋。

盡管電子和質(zhì)子都被迫以這種方式繞著磁力線旋轉(zhuǎn)，但是它們可以沿著這些磁力線的延伸方向相對(duì)自由地移動(dòng)。我所說(shuō)的“相對(duì)”，是指假如帶電粒子朝著磁力線匯聚的方向運(yùn)動(dòng)，就會(huì)遭遇一種阻力。舉例來(lái)說(shuō)，從磁拱的頂部下降到底部的過(guò)程中，當(dāng)一個(gè)粒子靠近回路的“足點(diǎn)”（foot point，是指磁力線會(huì)聚的地方，那里的磁場(chǎng)更為強(qiáng)烈），它的速度就會(huì)減慢。最終，越來(lái)越強(qiáng)的磁場(chǎng)會(huì)使這個(gè)電子或質(zhì)子停滯下來(lái)，再將它反推回去。這個(gè)過(guò)程就好像將網(wǎng)球扔向床墊。床墊中的彈簧會(huì)阻止網(wǎng)球的下墜，最終將它反彈上去。不過(guò)在這個(gè)例子中，網(wǎng)球的動(dòng)能會(huì)被暫時(shí)地轉(zhuǎn)移給彈簧，而太陽(yáng)上的帶電粒子則不同，它們并沒(méi)有將自身的能量轉(zhuǎn)移給磁場(chǎng)。相反，它們向下運(yùn)動(dòng)的能量被轉(zhuǎn)移到盤(pán)旋運(yùn)動(dòng)上，增加了它們圍繞磁力線旋轉(zhuǎn)的頻率。通過(guò)這種方式，一個(gè)磁拱的兩個(gè)足點(diǎn)就像反射鏡一樣，將質(zhì)子和電子來(lái)回反射。對(duì)帶電粒子來(lái)說(shuō)，磁拱實(shí)質(zhì)上已經(jīng)成為一個(gè)巨大的陷阱。

簡(jiǎn)單解釋讓人吃驚的是，等離子體本身也可以對(duì)束縛著它的磁場(chǎng)產(chǎn)生影響。因?yàn)樽鳛橐黄瑤щ娏Ｗ拥暮Ｑ螅入x子體可以容納電流。在任何存在電壓差來(lái)驅(qū)動(dòng)電流的地方，電流都可以出現(xiàn)。在更為常見(jiàn)的電路中，比如在一個(gè)手電筒中，電池提供了驅(qū)動(dòng)電壓。在太陽(yáng)上，沒(méi)有類(lèi)似電池的東西存在，但是磁場(chǎng)的變化造成了電壓差，由此產(chǎn)生電流（這里依據(jù)的原理，與使發(fā)電機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)的原理相同）。這些電流會(huì)產(chǎn)生新的磁場(chǎng)，使事情變得更加復(fù)雜。這種效應(yīng)，再加上磁場(chǎng)足點(diǎn)變換不定的移動(dòng)趨勢(shì)，太陽(yáng)大氣層中高度扭曲的磁場(chǎng)形成了一整套的變化模式。這些磁場(chǎng)蘊(yùn)含著可觀的磁場(chǎng)能量，成為太陽(yáng)耀斑的能量源泉。

到此為止，我們描述的還只是一些基本的物理原理，這是科學(xué)家早已了解了幾十年的東西。當(dāng)有人試圖確切解釋?zhuān)@些磁場(chǎng)能量如何被轉(zhuǎn)變?yōu)闊崮?、加速粒子、拋射物質(zhì)的時(shí)候，問(wèn)題就出現(xiàn)了。一種可能的解釋只是簡(jiǎn)單地出于對(duì)電路的考慮：任何電路都不能僅由它所攜帶的電流和驅(qū)動(dòng)電荷流動(dòng)的電壓來(lái)描述，它還與其中存在的電阻有關(guān)。舉例來(lái)說(shuō)，燈泡中的燈絲為流經(jīng)的電流提供了電阻，將電能變成光和熱消耗掉。太陽(yáng)的大氣層也提供了電阻，因?yàn)榻M成電流的帶電粒子有時(shí)會(huì)相互碰撞，阻礙它們運(yùn)動(dòng)，使物體升溫。此外，驅(qū)動(dòng)電流的電壓也擁有一個(gè)與之相伴的電場(chǎng)。如果這個(gè)電場(chǎng)夠強(qiáng)大，電子和離子就會(huì)被加速到某種程度，足以脫離熾熱的等離子體。高溫和高能粒子，這正是太陽(yáng)耀斑的組成部分。

可惜，這種簡(jiǎn)潔的解釋沒(méi)能很好地經(jīng)受住精細(xì)的檢查。因?yàn)槿彰嶂械碾娮柰ǔＯ喈?dāng)?shù)汀偷綗o(wú)法解釋太陽(yáng)耀斑增亮?xí)r的爆發(fā)速率。而且，就算電阻較高，所需的磁場(chǎng)能量如何能集中在一個(gè)地方，又如何在一場(chǎng)突如其來(lái)的爆發(fā)中釋放，仍然難以解釋。研究者幾十年前就得出結(jié)論：一個(gè)可以驅(qū)動(dòng)簡(jiǎn)單、孤立電流的電壓，無(wú)法足夠迅速地加熱太陽(yáng)大氣層，或者制造出一個(gè)足以形成耀斑的被加速的粒子流。

多年來(lái)，空間物理學(xué)家提出了各式各樣更為復(fù)雜的想法：他們推測(cè)，耀斑是許多不同電流匯聚的結(jié)果，或是一大團(tuán)狂暴的等離子體波動(dòng)和與之相伴的隨機(jī)電場(chǎng)的產(chǎn)物。如此特殊的組合也許具備產(chǎn)生耀斑的能力，但這些機(jī)制無(wú)法解釋所有的觀測(cè)數(shù)據(jù)，尤其是日冕物質(zhì)拋射的傾向性：它們經(jīng)常與大耀斑同時(shí)出現(xiàn)。一個(gè)更有發(fā)展前景的理論不僅涉及電場(chǎng)的動(dòng)力學(xué)，還與對(duì)應(yīng)的磁場(chǎng)有關(guān)。所以，讓我更詳細(xì)地描述一下磁場(chǎng)的物理性質(zhì)好了。

科技發(fā)明科學(xué)家證實(shí)單壁碳納米管具有電學(xué)相變性

科學(xué)家制備出系列超高密度信息存儲(chǔ)材料

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微尺度下創(chuàng)造的埃舍爾藝術(shù)杰作：科學(xué)家構(gòu)筑硫化銅14面體微晶

中國(guó)科學(xué)家實(shí)現(xiàn)納米立方塊定向自組裝

科學(xué)家揭示出伽瑪暴起源的新機(jī)制

中外科學(xué)家在高紅移星系研究方面取得重要進(jìn)展

磁重聯(lián)研究獲重要進(jìn)展

我科學(xué)家發(fā)現(xiàn)神經(jīng)元極性建立新機(jī)制

我科學(xué)家研制出蛋白質(zhì)芯片生物傳感器系統(tǒng)

中國(guó)最新變壓吸附制氫技術(shù)程控系統(tǒng)投入運(yùn)行

本詞條內(nèi)容貢獻(xiàn)者為:

張磊 - 副教授 - 西南大學(xué)