利用歐空局“Cluster Constellation”任務(wù)18年來的數(shù)據(jù)，科學(xué)家們繪制了地球周圍空間中的重金屬地圖，發(fā)現(xiàn)了出人意料的鐵分布和流動(dòng)，并揭示了我們宇宙環(huán)境的組成?？臻g通常被認(rèn)為是沒有物質(zhì)的空蕩蕩區(qū)域，但空間并不是真的空的：物質(zhì)的分布只是非常非常稀疏。在地球附近，科學(xué)家稱之為“地球空間”的空間實(shí)際上充滿了帶電粒子：帶負(fù)電荷的電子和帶正電荷的離子混合物。

令人驚訝的發(fā)現(xiàn)

這些離子是我們在地球空間中看到電動(dòng)力學(xué)過程中的關(guān)鍵角色，并促成了宇宙這一部分動(dòng)蕩多變的性質(zhì)。研究使用了歐空局于2000年8月發(fā)射的“Cluster Constellation”任務(wù)數(shù)據(jù)，該任務(wù)在太空中即將迎來20周年紀(jì)念日，以探索一種被認(rèn)為在地球附近相對罕見的重要離子：鐵。通過深入研究從2001年到2018年收集的數(shù)據(jù)，研究人員發(fā)現(xiàn)了地球空間中出人意料的鐵分布。

（上圖所示）太陽(左)和太陽風(fēng)(右)是一種持續(xù)流動(dòng)的帶電粒子（帶負(fù)電荷的電子和帶正電荷的離子）滲透太陽系并影響地球磁環(huán)境(右)。圖片：ESA; Sun: ESA/NASA/SOHO/LASCO/EIT

其研究發(fā)現(xiàn)現(xiàn)已發(fā)表在《地球物理研究》期刊上，馬克斯·普朗克太陽系研究所和挪威卑爾根大學(xué)伯克蘭空間科學(xué)中心的主要作者斯坦·哈蘭德說：雖然數(shù)量很少，但到處都發(fā)現(xiàn)了鐵：在觀測覆蓋的整個(gè)地球空間區(qū)域，以及在近地太陽風(fēng)中不斷涌出的帶電粒子，在大約10%的觀測中發(fā)現(xiàn)了鐵，考慮到鐵離子的相對稀缺性，這是令人驚訝的，沒想到會這么頻繁地發(fā)現(xiàn)它。

然而，令人驚訝的不是鐵本身的存在，而是它的性質(zhì)。日本宇宙航空研究開發(fā)機(jī)構(gòu)/美國國家航空航天局(JAXA/NASA)的GeoTail衛(wèi)星，花了25年多的時(shí)間觀察地球磁環(huán)境，在2017年探測到地球空間中的單電離的鐵，這些鐵原子只被剝離了最外層的電子。新研究結(jié)果不僅證實(shí)了這一發(fā)現(xiàn)，而且提供了這幅圖景一個(gè)重要的新部分。

歐空局“Cluster Constellation”任務(wù)觀測集中在比GeoTail高得多的能量范圍，讓我們對地球周圍的空間有了更全面的了解，不僅探測到了單電離的鐵，也探測到了多電離鐵。這些離子處于更高的能量狀態(tài)，已經(jīng)被剝奪了一個(gè)以上的電子。太陽風(fēng)中的鐵往往以較高電荷狀態(tài)出現(xiàn)，所以需要這個(gè)更寬、更高的能量范圍來了解太陽風(fēng)及其對地球磁環(huán)境的影響。

地球周圍空間中的鐵來源

離子可以從上方或下方進(jìn)入地球空間，一些從地球大氣層向上移動(dòng)，而另一些則從太陽風(fēng)流入。鐵等重金屬的來源仍然存在爭議——這些離子從哪里來，對我們地球周圍看到的現(xiàn)象有何貢獻(xiàn)？GeoTail的觀測重點(diǎn)是鐵從地球大氣層向上移動(dòng)，能量相當(dāng)?shù)汀Ｑ芯堪l(fā)現(xiàn)，來自太陽的鐵要多得多，能量也要高得多。同時(shí)還在地球極冠上方的區(qū)域發(fā)現(xiàn)了鐵，這是GeoTail觀測沒有覆蓋的地方。

在先前研究成果的基礎(chǔ)上，這項(xiàng)新研究更深入地探索了電離鐵的潛在來源。這是理解地球空間、磁層、太陽風(fēng)的動(dòng)力學(xué)和特性，以及這些結(jié)構(gòu)如何相遇和相互作用的關(guān)鍵因素。之前的研究提出，在較高緯度探測到鐵離子可能是由于多種因素造成，包括隕石進(jìn)入地球大氣層并破裂，從大氣層某些層升起的粒子，甚至是從月球拋出的粒子。然而，新觀測結(jié)果并沒有顯示這些過程中任何一個(gè)過程令人信服的證據(jù)；

（上圖所示）歐空局“Cluster Constellation”任務(wù)期間集群航天器之間的距離。圖片：ESA

相反，研究人員認(rèn)為鐵直接來自太陽，關(guān)于鐵的分布和存在數(shù)據(jù)隨著時(shí)間的推移而變化，其方式與地球磁場的擾動(dòng)和太陽活動(dòng)長期波動(dòng)相匹配。這表明，地球周圍空間中的大部分鐵來自通過磁層的太陽風(fēng)，而不是從地球的大氣層向上傳播。為了繪制地球空間的組成圖，研究人員以一種意想不到的方式使用了歐空局“Cluster Constellation”任務(wù)的數(shù)據(jù)。

隱藏在數(shù)據(jù)中

研究人員利用收集的測量值，這些測量值不是為了科學(xué)目的，而是為了對航天器的一種儀器——RAPID（自適應(yīng)粒子成像探測器研究）進(jìn)行操作診斷。該儀器通過測量在探測器內(nèi)的能量和旅行時(shí)間來識別和表征檢測到的各種離子。對于普通的科學(xué)活動(dòng)，快速只計(jì)算氫、氦和氧原子的這些性質(zhì)；然而，出于診斷目的，該儀器為有限數(shù)量的粒子提供了額外性質(zhì)，將探測范圍擴(kuò)大到更重的離子。

這些測量用于校準(zhǔn)儀器并確保其按預(yù)期運(yùn)行。然而，科學(xué)家們使用這些總共122000小時(shí)的診斷性觀察來確定進(jìn)入的離子組成，并識別鐵粒子。RAPID測量離子組成的能力至關(guān)重要，因?yàn)樾枰煞譁y量來幫助科學(xué)家更好地理解在地球上或地球附近發(fā)現(xiàn)的各種元素來自哪里，并描述我們的宇宙環(huán)境。了解地球周圍的空間是歐空局“Cluster Constellation”任務(wù)核心目標(biāo)之一。

挖掘檔案

歐空局“Cluster Constellation”任務(wù)圍繞地球編隊(duì)飛行的四個(gè)航天器，花了數(shù)年時(shí)間重復(fù)進(jìn)出地球磁場，以研究太陽和地球如何相互作用，并描述由這些相互作用引起的現(xiàn)象。這項(xiàng)任務(wù)的壽命和寬廣的軌道使其能夠收集近20年來覆蓋所有近地空間區(qū)域和大部分太陽風(fēng)的數(shù)據(jù)。該研究的合著者、馬克斯·普朗克太陽系研究所的首席研究員、RAPH儀器的首席研究員帕特里克·戴利(Patrick Daly)說：

研究需要這么長的時(shí)間跨度，還多虧了歐空局“Cluster Constellation”任務(wù)科學(xué)檔案館，它為科學(xué)界提供了最高質(zhì)量的數(shù)據(jù)以供使用?？茖W(xué)家花了相當(dāng)大的精力來建立這個(gè)檔案館，并繼續(xù)保持其非常高的校準(zhǔn)和可靠性標(biāo)準(zhǔn)。這個(gè)檔案館是無數(shù)敬業(yè)的工程師、航天器操作員和數(shù)據(jù)歸檔團(tuán)隊(duì)的功勞，他們確保了歐空局“Cluster Constellation”任務(wù)保持運(yùn)行，并仍然提供關(guān)于近地空間新的、令人興奮的、可訪問的信息。

值得注意的是，歐空局“Cluster Constellation”任務(wù)科學(xué)檔案中的數(shù)據(jù)集，包括詳細(xì)的診斷數(shù)據(jù)：這些數(shù)據(jù)通常不包括在所有任務(wù)檔案中。歐空局“Cluster Constellation”任務(wù)項(xiàng)目科學(xué)家Philippe Escoubet說：

這突顯了科學(xué)檔案的重要性，特別是診斷數(shù)據(jù)的重要性，表明如何從這些多功能數(shù)據(jù)集中收集真正有價(jià)值的信息，以便產(chǎn)生尖端的科學(xué)成果。還很好地展示了研究是如何不斷發(fā)展和推進(jìn)的，在歐空局“Cluster Constellation”任務(wù)首次發(fā)射時(shí)，探測到鐵是一個(gè)完全意想不到的結(jié)果，但這項(xiàng)任務(wù)繼續(xù)提供關(guān)于地球周圍空間環(huán)境的寶貴數(shù)據(jù)。

博科園｜www.bokeyuan.net

博科園｜研究/來自：歐空局ESA

參考期刊《地球物理研究》

DOI: 10.1029/2019JA027596

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