是谁走漏了风声地球泡泡内卷结构中的等离子体传输

　　作者 | 大雁
　　地球是太阳系的一颗行星，并且拥有起源于其内部的磁场。当太阳大气向外膨胀而吹出每秒四百公里左右的太阳风时，地球磁场就完全浸没在了太阳风中。太阳风是一种稀薄的电离气体，主要成分是氢原子核和电子。因为比我们呼吸的空气要稀薄很多倍，而且带电，所以它是一种不是风的＂风＂。由于电磁力作用，地球磁场可以抵抗吹来的太阳风，在太阳风中制造出一个空腔，使太阳风在空腔以外绕过去，就像地球吹出来的一个泡泡。
　　图1. 内卷的泡泡。
　　由于太阳风的速度太快了，在泡泡内外两测，就形成了显著的速度差——太阳风以比我国高铁还要快3600倍的速度从泡泡外侧流过，而泡泡里面的速度只有每秒几十公里。虽然每秒几十公里对在地面上生活的人们来说已经很快了，但与太阳风速度相比，几乎相当于不动。这么大的速度差，会引起Kelvin-Helmholtz不稳定性，激发表面波，并进一步卷成涡旋，形成内卷的泡泡结构。本来地球用自己的磁场吹出来的泡泡，就像一堵墙挡住了远处来袭的太阳风，但卫星观测发现，有了这种内卷的结构，这堵墙就会漏风，导致太阳风可以通过这些内卷的结构渗透到泡泡里面来。那么是谁走漏了＂风声＂呢？
　　图2.油层托住水层的界面，是平衡的，但不是稳定的。
　　在捉拿真凶之前，我们先尝试一下这样一个实验。在一个容器中盛入油，油上面小心地放入一层水。如果足够小心，可以做到这样的效果：轻一点的油在下面，重一点水在上面，界面平静时可以保持平衡。这里说的轻重，是指的密度大小。保持平衡的界面如果受到一点点扰动，这种扰动马上就可以迅速放大，使本来平静的界面迅速瓦解，上面的水就沉入油中，油浮上来。这种现象就叫做重力不稳定性，也叫Rayleigh-Taylor不稳定性。因为重力在其中起着重要作用。只要一个界面上存在重力或者等效重力，并且密度沿着重力相反的方向上增加，那么这个界面就是不稳定的。Rayleigh-Taylor不稳定性在某些区域和高度的大气流动中有可能产生。在等离子体中，由于在热核反应中用来约束等离子体的磁场是圆环形的，围绕圆环形磁场＂跑步＂的等离子体有离心力，在这种＂跑道＂边上，就存在这种不稳定过程，形成沿着磁场方向的凹槽，因此又叫做凹槽不稳定性。在高空电离层的某些区域，也具备产生这种不稳定性的条件，并且对电离层的结构产生影响。
　　图3. 存在离心力作为等效重力时，等离子体中的Rayleigh-Taylor不稳定性。
　　Rayleigh-Taylor不稳定性的名称，来源于两位英国物理学家。一位是瑞利勋爵（Lord Rayleigh），原名约翰·威廉·斯特拉特（John William Strutt），1842年11月12日-1919年6月30日。他因为爷爷被英王授予男爵而以爵位为姓氏，相当于皇家赐姓，这一点和开尔文相似。瑞利是英国物理学家，擅长做实验，尤其擅长使用简单的实验设备得到精确的实验数据。瑞利提出了瑞利散射定律，定量地解释了地球上的天空为什么是蓝色的。瑞利还因为发现了氩气而在1904年获得了诺贝尔物理学奖。
　　另一位英国物理学家是泰勒爵士，全名杰弗里泰勒（Sir Geoffrey Ingram Taylor），1886年3月7日－1975年6月27日，比瑞利勋爵要晚大约一代人。泰勒是剑桥大学三一学院的高材生，原本学习数学。年轻的泰勒作为气象学家参加了国际冰川巡逻船探险活动，枯燥乏味的航海行程中，他仔细观察了空气流动，这为他以后的流体力学研究准备了现象观察的基础。第一次世界大战期间，他在一个飞机制造厂为英国皇家空军设计飞机。战争结束后，他回到母校教书。第二次世界大战期间，他作为英国成员参加了曼哈顿计划。他会开飞机，会跳伞，是一个具有全面才能的实用型科学家。
　　在距离地球大概8万公里的高空，就是泡泡边缘的存在了。对于稀薄的等离子体而言，那里的地球重力已经非常小，小到与那里的电磁力相比可以忽略不计。但是泡泡的内卷，使泡泡两侧的等离子体跳起了优雅的华尔兹，形成了旋转的流动。这种流动产生了离心力，使得卷起来的泡泡表面变得微妙——界面两侧不仅速度相差很大，而且密度相差很大，外面的太阳风比里面的磁层等离子体密度要高十几倍乃至几十倍。虽然它们都很稀薄，但在这个微妙的条件下，这种差异是不能忽略的。在存在离心力的情况下，泡泡内卷的边界上任何＂风吹草动＂都会迅速演变成灾难：泡泡被穿透了。太阳风等离子体在一个额外电场的作用下渗透进入了泡泡里面，原本可以遮风挡雨的那堵墙，漏了。
　　那么是谁走漏了＂风声＂？就是以上面介绍的两位英国物理学家命名的——Rayleigh-Taylor不稳定性。
　　太空是等离子体的天然实验室。卫星在泡泡边界附近的＂巡视＂，给我们提供了很多机会可以实地观察等离子体现象的机会。8万公里以外的泡泡边界上是否真的有这种内卷结构中的Rayleigh-Taylor不稳定性＂走漏风声＂的事情发生吗？还是让卫星用事实说话吧。
　　图4. Kelvin-Helmholtz涡旋中嵌套的Rayleigh-Taylor不稳定性。图片来自Wiley（Journal of Geophysics Research），致谢原作者G.Q.Yan。
　　最近，THEMIS卫星实地观测证实了这样的物理过程：在磁层顶两侧由于流动速度不同而产生了速度剪切，激发了Kelvin-Helmholtz不稳定性，形成了一串内卷的涡旋结构。涡旋结构中等离子体与磁场冻结在一起，旋转着流动；其离心力造成了等离子体中电子和离子沿着相反方向漂移，正电荷与负电荷的分离产生了静电场，进一步激发了Rayleigh-Taylor不稳定性；这种由于电荷分离而产生的静电场，打破了磁冻结，这个额外的静电场在等离子体中产生正负电荷＂步伐＂一致的电场漂移，使太阳风等离子体脱离了来自太阳的＂磁场串绳＂，横越磁场运动，进入了磁层，并和来自地球的＂磁场串绳＂冻结在一起，随着地球磁场一起运动。卫星观测数据对这一物理过程刻画得非常精细，从而使多年来人们没有理解清楚的太阳风通过Kelvin-Helmholtz涡旋向磁层传输的物理过程，首次在观测中得到了确认。意外地，卫星的实地观测，就像录音机一样把Rayleigh-Taylor不稳定性所伴随的电场的形态，即垂直磁场的平面内两个相差90度相位的正弦信号录了下来。虽然是 ＂单声道＂，但这也是以前所没有直接获取的观测信号。也就是说，人类通过发射卫星，可以倾听到＂风声＂，了解到在磁场不被＂剪断＂的情况下，太阳风是怎么渗透到地球吹出的泡泡里面来的。
　　应该说，在人类出现之前，太空中诸如等离子体过程这样的各种现象都是客观存在的，并且不因人类的存在与否而客观地发生。人类认识世界，提出了各种精妙的方程、公式、理论，来解释这个世界的各种现象。但是再先进的理论，再完美的方程、公式，最终还要落脚于大自然的客观现象。在卫星实际观测中找到了Kelvin-Helmholtz涡旋中嵌套的Rayleigh-Taylor不稳定性，并且录下了它的＂声纹＂，还捉到了造成地球磁防护泄露的 ＂罪魁祸首＂，这些是我国科学家率先做到的事情，是中国智慧为世界做出的贡献。
　　- 作者信息 -
　　大雁，有情怀的空间物理学博士，关注科普的一线科学家。
　　排版：萝卜娟
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