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地球与行星物理

ISSN  2096-3955

CN  10-1502/P

侯传鹏, 何建森等:掠日彗星带电粒子在日冕中的动力学行为及其研究意义

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掠日彗星带电粒子在日冕中的动力学行为及其研究意义

侯传鹏, 何建森等

北京大学 地球与空间科学学院

研究太阳系的物质组成是人类认识太阳系的起源和演化这一关键问题的重要手段。在太阳系46亿年的演化过程中,太阳及行星上有关太阳系早期的痕迹早已因为地质活动、内部辐射、外部撞击等过程消失殆尽。在太阳系中还存在众多尺寸不大(小于10km)的小天体。尺寸不大使得它们免受地质活动、内部放射性物质、小天体间碰撞的影响。因此这些小天体(特别是外太阳系小天体)被认为极好地保留了46亿年前太阳系的物质成分。当这些小天体沿轨道运动接近太阳时,太阳辐射引起物质的挥发及离化在其后形成长长的尾巴(黄色的尘埃尾和蓝色的离子尾)。这时,这些小天体就成为了人们熟知的彗星。在古代,彗星一直被视作灾难的象征。科学发展至今,彗星已成为太阳系内的重要研究目标。

彗星及其释放物质在太阳系中的动力学演化过程,是太阳系动力学演化的重要组成部分。图1中展示出彗星和小行星等小天体在运行过程中因为动量损失会导致其轨道向内迁移逐渐靠近太阳,而其所释放的β-流星体和纳米尺寸尘埃则会由于受到太阳辐射光压和太阳风电磁场的作用而向外运动远离太阳。


图1. 小天体(彗星和小行星)及小尺寸流星体和尘埃沿不同方向的迁移过程(引自O’Brien, PhD thesis, 2017)。

彗星抛出的物质经离化后会被太阳风拾起加速至太阳风速度,并与太阳风一起向外传递。这一质量加载过程会重新塑造太阳风的性质:太阳风向离子的动量传递导致太阳风速度下降,由于磁冻结效应,减速的太阳风导致彗尾区域磁力线的弯曲。卫星观测也表明彗星67p附近太阳风速度方向发生偏转且磁场伴随强的波动。掠日彗星物质带来的质量加载效应被认为是磁力线折回结构的可能原因之一。太阳风受质量加载效应影响的程度依赖于彗星挥发性物质的质量释放率、出流速度、离化率等。对于已经多次飞掠近日点的彗星,如彗星322p(近日点12.26Rs),其上挥发性物质(水冰等)含量降低,彗星活动水平降低至不再表现出明显的彗尾,最终演化为岩石性彗星。在C/2011 W3 (Lovejoy)飞掠近日点(1.2Rs)的过程中,其损失了大量物质并表现出扭曲的、独特的彗尾,这为研究彗星活动水平、彗尾物质与日冕的相互作用、早期太阳风诊断和太阳风质量加载过程提供了观测基础。

针对掠日彗星C/2011 W3 (Lovejoy)在近日点附近的独特彗尾,北京大学何建森课题组等利用日冕与太阳风模型进行带电尘埃粒子与彗尾离子的动力学分析,解释了C/2011 W3 (Lovejoy)在近日点附近独特彗尾的起因并提出新的近日无尘埃区形成机制。该研究为理解彗星物质与日冕的相互作用以及日冕中场和太阳风的诊断提供了新的启示。

该研究发现在日冕中磁场的洛伦兹力主导10 nm的带电尘埃粒子的运动。由于磁镜效应,纳米尺寸的尘埃粒子将被反弹远离太阳,这有助于无尘埃区的形成。图2中展示了不同尺寸的尘埃离开彗星后的运动轨迹。其中,尺寸10 nm的尘埃表现出围绕磁力线的回旋运动和由于磁镜效应导致的运动反向。


图2. 不同尺寸带电尘埃粒子自彗星抛出后在日冕中的运动轨迹。白线为磁力线,绿线为尺寸10nm的带电尘埃粒子的运动轨迹。红线、黑线分为1um和10um带电尘埃的轨迹。彗星及其轨道也展示在图中。

该研究还发现掠日彗星的彗尾形状反映出日冕磁场的位型变化。图3展示了近日点附近不同位置抛出的O5+离子的运动轨迹。彗尾离子在日冕中沿着磁力线运动,其初始运动方向取决于彗星轨道附近日冕磁场方向。因此,磁场变化导致彗尾离子运动方向发生变化,最终表现出独特的彗尾形状。


图3. 不同视角下的O5+在日冕中的运动轨迹。红线为离子轨迹,蓝线为磁力线。

离子在沿磁力线运动的同时,还具有垂直磁场方向的漂移运动。垂直漂移运动主要由 E X B 漂移贡献(与磁场梯度漂移、曲率漂移、电场极化漂移相比),平行速度与各项垂直漂移速度的比较见图4。考虑磁冻结效应,E X B 漂移速度等于日冕中太阳风的垂直磁场方向的速度。因此,该研究认为对彗尾物质运动分析有助于诊断日冕中原初太阳风的性质。 


图4. 平行速度与垂直漂移速度的比较。UE表示 E X B 漂移速度。

论文链接:http://doi.org/10.26464/epp2021023

Hou, C. P., He, J. S., Zhang, L., Wang, Y. and Duan, D. (2021). Dynamics of the charged particles released from a Sun-grazing comet in the solar corona. Earth Planet. Phys., 5(3), 232–238. 

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