在2016年到2019年期间,中科院地质与地球物理研究所尧中华副研究员与列日大学太空中心主任Denis Grodent教授以及Bertrand Bonfond研究员等人主导了一系列的哈勃太空望远镜木星极光观测项目,实现了同时完成卫星就位观测和木星极光拍摄,获得了一系列的木星晨爆事件和磁层扰动的联合观测。在2017年5月13日至5月17日期间(图1),哈勃太空望远镜进行了“准连续”拍摄,并且记录了其中的一个发生在5月16日的“孤立事件”,即在前一天和后一天都处于平静状态的一次极光晨爆和极光注入同时事件。考虑到木星空间环境持续处于变化之中,这种“孤立事件”非常难得,能够提供给我们极佳的机会来理解其发生机制。与孤立极光对应的是,木星磁场也在同一天出现了一个磁重联“孤立事件”(空间等离子体能量释放的最核心机制)。因此两个独立观测设备中的同时“孤立事件”提供了强有力的支持证据将木星晨爆与磁重联进行物理关联。
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图1 (a)哈勃太空望远镜拍摄的木星北极极光;(b)Juno卫星观测的木星磁场径向分量(Br)和南北向分量(Btheta)
通过分析大量哈勃太空望远镜拍摄的极光图片,他们还进一步给出极光晨爆和极光注入的“共生”关系(图2)。将2017年5月16日极光注入区域沿磁力线追踪到磁层中,恰好对应了磁层中观测到的偶极化。因此他们的研究直接从观测上推测出木星晨爆极光事件与磁重联对应,而木星极光注入事件则与磁场偶极化对应。由于磁层中磁重联和偶极化是强耦合的关系,因此物理上也很好地解释了极光晨爆事件和极光注入事件经常共同出现。该研究还提出磁重联区可以在一段时间内持续产生偶极化注入事件,由于偶极化过程是随行星共转的,因此这些先后产生的偶极化注入事件会在经度上有所区分,从而形成极光图片上沿不同经度排列的多个极光注入事件,这也解释了极光晨爆是与多个极光注入结构共同出现的极光现象(图3)。
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图2 选自哈勃木星观测项目GO-14634的6次典型极光晨爆与极光注入同步发生事件
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图3 示意图显示极光晨爆事件如何触发多次极光注入,从而形成如下图所示的极光特征,即一个极光晨爆与多个极光注入结构共同产生
研究成果发表于JGR-Space Physics。(Yao 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)(原文链接)