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由月球引发的地球等离子体层中非引力潮汐效应的机制

已有 1238 次阅读 2024-2-10 16:52 |个人分类:由月球引发的地球等离子体层中非引力潮汐效应的机制|系统分类:科研笔记

月球绕地运动引发近地空间行星际磁场波动，并由此导致了地球等离子体层中非引力潮汐效应。即，月球运动→近地空间行星际磁场波动→地球等离子体层中非引力潮汐效应，→：引发。这是地月系统中一种以前未被考虑过的基本相互作用机制。在地球与其它较大星体会合时，近地空间行星际磁场波动强烈，相应高能粒子通量增加。为了增加航天器与卫星的发射、返回安全，发射、返回应尽量避开该会合时间。

地球等离子体层中由月球引发的非引力潮汐效应

潮汐是物理学中已知的最古老的现象之一。海水在太阳和月亮的引力作用下像发条一样起伏。潮汐并没有什么奇怪的。然而，研究潮汐的研究人员发现了一个大惊喜。地球等离子体层里有潮汐，而且很奇怪。这一发现发表在2023年1月26日《自然物理学》上。等离子体层是地球磁场内一个不平衡的冷等离子体甜甜圈（图1）。

图1. 等离子体层类似地球磁场内一个不平衡的冷等离子体甜甜圈。

等离子体层是由地球大气层顶部（电离层）的泄漏产生的。等离子体层的外表面被称为“等离子体层顶”——这就是潮汐被发现的地方。“我们可以将等离子体层顶视为围绕地球的‘等离子体海洋’的表面，”主要作者之一、山东大学的史全琪说。 “利用 40 年的卫星观测数据库，我们首次发现了等离子体海洋表面的月球潮汐。”月球的引力会拉伸并调节等离子体层的形状，这并不奇怪。毕竟，等离子体层是由物质构成的，而物质会对引力做出反应。但反应并不是研究人员预期的。史解释说：“有趣的是，月球等离子层潮汐形成了百分之几的隆起，其偏移地月轴前方90度，这与地球液体海洋的高潮显著不同。”从 1977 年到 2015 年，在近四个太阳周期中，各种航天器进行了近 36,000 次等离子层顶穿越，证实了这种无法解释的偏移。如图2所示。

这是怎么回事？研究人员并不确定，但他们相信引力和电磁力可能联合起来产生一种新的潮汐效应。

太空物理学家早就知道月球的引力会影响地球电离高层大气中的风。这意味着月球实际上可以改变电离层中的电流，从而改变电磁场。研究小组查看了美国宇航局范艾伦探测器的数据，发现实际上到达等离子体层的电场似乎受到月球潮汐的调节。计算模型表明，这些场可以将凸起移动到 90 度偏移位置，并解释其每日和每月的变化。

“我们对这种等离子体潮汐效应的发现可能表明地月系统中存在一种以前未被考虑过的基本相互作用机制，”史说。 "了解这种现象可以更好地预测太空天气并提高航天器和卫星的安全性"（1，2）。

图2. 美国宇航局 IMAGE 航天器（左）和中国嫦娥三号航天器（右）拍摄的等离子体层样本图像。

月球绕地运动引发近地空间行星际磁场波动及其动力机制

在2023年3月，我们发现，月球绕地运动引发近地行星际磁场波动，尤其行星际磁场的Z分量。其波动强度（近似为一段时间内平均波动频率与平均波动幅度之积）的峰值出现在日，月，地在一条直线的空间位置；另外，近地行星际磁场波动在朔月位相强于在望月位相。如图3所示。进一步还发现，当地球与其它较大星体会合时，近地空间行星际磁场也波动强烈（3-8）。

依据太阳多重德拜球层（CMDS_日）机理，其动力机制为：

1. 在太阳多重德拜球层（CMDS_日）中，CMDS_日相邻层间的每一星体，都有一个途经它且包裹它的等离子体释电条。CMDS_日相邻层间的每一星体的运动主要源于两种力：

（1）该星体与太阳系质量中心的万有引力, 或近似为该星体与太阳之间的万有引力；

（2） CMDS_日相邻层间该星体释电条对该星体的旋扎力和上升力。

2. CMDS_日相邻层间任一个星体的释电条都会产生磁场。

3. 在CMDS_日中，以太阳为坐标原点的球坐标系中，近同日经纬度的相邻层间的不同星体释电条之间互抑，互扰。

4. 近地空间的行星际磁场主要源于太阳风的磁场（即太阳表面或日冕的磁场），CMDS_日相邻层间行星，彗星与月球等星体释电条的磁场以及地磁场，在近地空间内的叠加。其中太阳风的磁场，即来自太阳表面或日冕的磁场占主导。在近地空间的太阳风的磁场处在CMDS_日相邻层间地球释电条的等离子体流内（空间环境中）。一旦地球释电条波动，必然引发近地行星际磁场波动。

5. 对于一个较大星体，途经它的CMDS_日相邻层间释电条对近地行星际磁场的扰动强度，与它的运动位置有关。当其与地球会合时，即该星体的日经纬度与地球的日经纬度近同时，该星体释电条与地球释电条之间互相抑制与干扰增强，会引发近地空间的行星际磁场强烈波动或震荡。

图3. 月球与地球会合时引发近地空间行星际磁场强烈波动

a. 在2023年12月12日（朔月）行星际磁场的z分量强烈震荡。

b. 在2023年12月27日（望月）行星际磁场的z分量强烈震荡。

c. 在2024年1月11日（朔月）行星际磁场的z分量强烈震荡。

d. 在2024年1月25日（望月）行星际磁场的z分量震荡，但较a, b, c弱。