地球内部和周围的磁场和电流产生了非常复杂的力量，对日常生活有着不可估量的影响。你可以将磁场想象成巨大的气泡，保护我们免受宇宙辐射和太阳风带电粒子的影响。了解磁场是如何产生的，它如何保护我们，以及它有时如何防御来自太阳风的带电粒子，不仅是一个科学兴趣问题，也是一个安全问题。


利用欧空局（ESA）“Cluster”和“Swarm”任务采集的信息，并综合来自地面的测量结果，科学家们首次能够确认，被奇怪地命名为磁尾爆发性整体流（Bursty Bulk Flow，BBF）与地球表面附近磁场的突然变化直接相关，这可能对管道和电力线造成损害。



磁层（magnetosphere）是空间中的一个水滴形区域，白天从距离地球约 65,000 公里处开始，夜间延伸到超过 600 万公里处。它是通过地球的磁场和来自太阳的超音速风之间的相互作用形成的。


这些相互作用是非常动态的，由复杂的磁场配置和电流系统组成。某些太阳条件，即太空天气（space weather），可以通过驱动系统周围的高能粒子和电流来破坏磁层，有时会破坏天基硬件、地面通信网络和电力系统。


“Cluster”任务由四颗卫星组成，以四面体的形式飞行，收集关于近地空间小规模变化以及太阳风带电粒子与地球磁层之间互动的最详细数据。这四颗卫星在距离地面 10 万公里的椭圆轨道上围绕着地球运转，自 2000 年以来不断监测着地球磁环境的变化。


欧空局的三颗“Swarm”卫星于 2013 年发射，在更接近地球的轨道上运行，主要用于了解我们的磁场是如何产生的，精确测量来自地球核心、地幔、地壳和海洋以及电离层和磁层的磁信号。然而，“Swarm”也导致了对太空天气的新认识。


这两项任务构成了欧空局太阳物理学观测站的一部分，它们的互补性给科学家们提供了一个独特的机会来深入挖掘地球的磁层并进一步了解空间天气的风险。


在《地球物理研究快报》上发表的一篇论文中，科学家们描述了他们如何使用来自“Cluster”和“Swarm”的数据，以及来自地面仪器的测量，来研究太阳风暴、内部磁层中的爆裂体流和地面磁场的扰动之间的联系，这些扰动驱动着地球表面和下面的“地磁感应电流”（geomagnetically induced currents）。


该理论认为，驱动地磁诱导电流的地磁场的强烈变化与沿磁场方向流动的电流有关，这些电流由磁尾爆发性整体流驱动，磁尾爆发性整体流是通常以每秒 150 公里以上的速度快速爆发的离子。这些沿磁场方向的电流将电离层和磁层联系在一起，并通过星团和星群的位置。直到现在，这一理论还没有被证实。


英国卢瑟福·阿普尔顿实验室（Rutherford Appleton Laboratory）的马尔科姆·邓洛普（Malcolm Dunlop）解释说：“我们用 2015 年的太阳风暴为例进行研究。来自 Cluster 的数据使我们能够检查突发的大量流动--磁尾中的粒子突发--这在地磁活跃时期有助于物质向地球的大规模对流，并且与北极光中被称为极光流的特征有关。来自 Swarm 的数据显示，在离地球较近的地方出现了相应的大扰动，与来自包含这些流的外部区域的连接场对齐的电流有关”。


他继续说道：“综合从地球表面进行的其他测量，我们能够证实，地球附近的强烈磁场扰动与空间更远处的磁尾爆发性整体流的到来有关”。