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太空中的巨大“电流”——太阳风  

2014-06-27 14:25:28|  分类: 宇宙星空 |  标签: |举报 |字号 订阅

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 太空可能看起来是空洞的,就像一个无声的真空,但它并非绝对的空虚。它随着电活动一起漂浮,但人类肉眼无法直接观测到这些电活动。美国宇航局正在制定计划准备派遣人类前往小行星,他们希望能够了解人类探索者未来或可能遇到的电活动。

 

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                   太空之中并不空

 

 从太阳刮来的太阳风正以100万英里每小时的速度吹来,并环绕着所有的太阳系天体,形成旋转气流和旋涡。太阳风自带的磁场在撞击太阳系内天体自身的磁场时会弯曲、扭曲和折断,以几百万英里每小时的速度喷射粒子,导致地球附近磁场风暴里的电流激增,这会摧毁敏感的科技,例如卫星和电网。

 在无空气的天体上,例如月球和小行星,阳光会喷射带负电的粒子,从而导致被太阳光照射的区域带正电。太阳风是一种名为等离子体导电气体,后者的物质被分解为较轻的电子和带正电的粒子,后者的质量是前者的几千倍。虽然阳光照射的地区带正电,但当太阳风里的电子冲到较重的离子前面并填满空虚时,这片阴影区域便带负电。

 地球表面得到了地球磁场的保护,因此不会受到这种活动的直接影响,但没有强大排斥磁场的无空气天体,例如小行星,则无法躲避太空里的电活动。由美国宇航局太阳系探索研究虚拟学院(SSERVI)(前美国宇航局月球科学研究所(NASA LunarScience Institute,简称NLSI))赞助的研究人员建立了一个新的电脑模型,能够以前所未有的细节预测和可视化太阳风、太阳辐射以及小行星表面之间的相互作用。

 “我们的模型是首个提供太阳活动和小型天体,例如小行星之间复杂相互作用的细节二维视角的模型,我们主要利用了一种自适应性计算技术,能够高效的进行仿真。” 美国马里兰州罗瑞尔约翰霍普金斯大学应用物理实验室的项目带头人迈克尔·奇摩尔曼(Michael Zimmerman)这样说道。

 之前的“网格类型”的模型在计算复杂表面,例如小行星的太阳活动效应时没有这么高效,因为它会将电脑资源平均分配给所有地区,奇摩尔曼这样解释道。他的最新“树码”模型会持续适应流动的等离子体,将最多的资源分配给拥有最复杂活动的区域,而相对较为简单的区域则拥有较少的资源。

 “我们的模型可以在几天时间内计算太阳活动—小行星的相互作用,” 奇摩尔曼这样说道。“而利用网格模型进行相似的高分辨率模拟则需要数周时间。”这项研究被发表在4月4日的期刊《伊卡洛斯》(Icarus)上。奇摩尔曼和他带领的研究小组打算利用这一模型调查小行星附近的电活动是否会对人类探索者产生潜在的危害。

 “例如,理解小行星附近的电环境可以帮助确定宇航局与这一天体首次安全接触的地点。”研究合作作者、美国马里兰州格林贝尔美国宇航局戈达德太空飞行中心威廉·法瑞尔(William Farrell)这样说道。“如果一名宇航员所处的宇宙飞船位于阳光照射的带正电地区,但宇航员触碰了位于阴影处的带负电小行星表面,那么这两个系统接触时会产生意外的电流。没有这个模型,我们无法调查这股电流的本质。”

 

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 这个模型还能够用于预测小行星和宇宙飞船之间的相互作用。“我们前往小行星的原因之一是因为它们是太阳系形成时期相对原始的残余物,它们会提供行星是如何形成以及生命起源的线索。” 法瑞尔说道。“然而,宇宙飞船会释放可以电离的气体(例如水),这些宇宙飞船释放的离子很可能会污染我们想要研究的小行星表面。这个新的小行星模型使得我们能够估计不同区域离子收集和污染的程度。”

 法瑞尔是SSERVI九个研究小组之一,名为小行星、月球和火星卫星的环境动态回应(DREAM2)的首席调查员,这一研究小组为这一模型的研发提供了部分资金。这个模型显示吹过小行星的太阳风表现出某个现象,而后者可以从月球上直接观测到,这一事实进一步支持了这项发现。例如,太阳光喷射的电子云会在小行星被太阳照射的一面形成,然而,无论利用任何电脑模型,这些元素都有待未来前往小行星项目的真正测量所证实。“最终,我们将通过三维预测和可视化而扩展这一模型的能力,同时将这一能力应用到模拟导电勘探的基础设施以及磁场效应上。”

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