[科普中国]-螺旋磁零点

磁零点周围的磁力线存在螺旋结构，因此磁零点也叫螺旋磁零点。它就像地球上的台风眼——别看台风呼啸横扫数百公里，小小的台风眼里却风平浪静。中国天文学家发现，来自太阳的电磁风暴同样也有台风眼——尽管“太阳风暴”袭击地球磁场时，甚至可以引起无线通讯中断，但在台风眼之中，却有个磁场为零的地方。

首次捕捉到宇宙中神奇“磁零点”科学家只是从理论上推测，在太阳风暴、核反应中，“应该存在”一个非常重要而奇特的“点”——磁零点。中国天文学家通过卫星观测数据，真实地“捕捉”到了宇宙中的磁零点。最新成果发表在出版的《自然·物理学》杂志上。

为寻找磁零点，欧洲宇航局启动了“星簇”计划，连续发射了四颗卫星，中国也实施了“双星”计划。卫星在离地球约12.6万公里的太空中，观测到一次“太阳风暴”侵袭下的地球磁场。根据观测数据，国家天文台肖池阶副研究员、大连理工大学王晓钢教授、北京大学濮祖荫教授等为主的研究小组，首次发现了自然界中存在的磁零点。当期杂志配发评论，认为这是磁重联研究领域中“极其重要的”进展。

在神奇的磁零点上，发生着太空中十分常见的物理过程——磁重联。在太阳风暴的“劲吹”下，“背风”处的地球磁场从原先的圆球形。磁力线在太阳风的“逼迫”下，不断逼近磁零点。1

磁零点与磁力线当两条磁极方向相反的磁力线与磁零点无限接近的那一瞬间，两条磁力线开始“重新联结”：同时从中断开，并连接成两条新的磁力线——一条带着太阳风暴的等离子体飞向太空，另一条则缩向地球，它所携带的高能粒子“撞”进地球南北两极的大气层，形成极光。

据国家天文台汪景琇研究员介绍，只是在理论上推测磁零点的存在，但这次利用该台赵辉博士发展的微分拓扑学方法，通过实际观测数据分析，发现了磁重联的中心区域存在磁零点，并计算出磁零点周围的磁力线存在螺旋结构。

由于磁重联存在于太阳耀斑、磁约束核聚变等重要物理过程中，是能量转换和加速带电粒子的基本机制之一，因此，这一发现有助于彻底解决磁重联理论中一些长期悬而未决的难题。

磁尾磁重联湍动区域内磁零点簇的演化在2001年10月1日~09：43：45UT，Cluster卫星簇穿越了磁尾磁重联区，卫星观测到磁场的Bz分量存在双极变化，同时伴随着电子密度的增加以及能量大于keV的电子通量的增强。庞加莱指数（Poincaréindex）的计算显示在该区域内存在磁零点。利用磁场重构方法，对这一区域进行三维可视化，发现多个磁零点共同存在于一个小于离子惯性尺度的区域内。对观测到双极Bz信号的时间段内的两个时刻的磁场三维图像进行了细致分析。在第一个时刻的重构结果内存在5个磁零点，其中有两个A型磁零点（标记为A1和A2，），另外3个为B型磁零点（标记为B1，B2和B3）。每个A型磁零点都和两个B型磁零点通过separator相连接，一共存在4条separator.之后A1和B1以及A2和B2两对磁零点相互靠近，并最终从重构区域内消失，只剩下一个B型磁零点。这个过程可能显示了磁零点成对合并而消失的过程，也可能是两个磁零点相距太近因而不能被重构方法反演出来。之后在重构区域内重新出现一对磁零点，而新出现的负磁零点是S型磁零点，即As型磁零点。两个新出现的磁零点相互远离，最终形成第二个时刻所示的结构。在第二个时刻中的As型磁零点通过separator同时连接两个B型磁零点，形成B-As-B磁零点构型，并在沿着As型磁零点的spine线附近产生小尺度磁通量绳结构。该构型在二维投影线呈现出“次级磁岛”的特征。

重构结果所示的磁零点快速的运动和演化（移入或移出重构区域，合并消失及成对产生等现象）使得重构区内磁零点的数目不断变化。磁零点簇的这种急促的演变过程使得磁场呈现出类似湍动的性质。湍动演化区域的大小在离子惯性尺度以下，因此该湍动特征是离子尺度的一种现象。对磁场的功率谱进行分析发现，磁场功率谱符合幂功率谱，其幂率指数~11/3，具有离子尺度的湍动功率谱特征。这段时间内伴随的电子密度及被加速电子通量的升高可能与磁零点簇的演化有关。

磁场重联扩散区域中磁零点结构的观测磁重联是能量转换的非常重要的基本等离子体物理过程之一。过去磁场重联的理论、数值模拟和观测研究，大多是集中在二维模型下进行，而实际的磁场重联涉及三维非线性过程，对于三维情况下磁场重联及其相关的奇异结构的基本性质还未完全解决。通过高斯积分引入Poincaré指数，将其离散化，利用Cluster四颗卫星所测得的磁场。

3-D磁场零点拓扑结构磁场零点即磁场消失为零的点，为了研究零点附近磁场的局部结构，不失一般性，将磁场零点取在r=0（r是位置矢量（x，y，z））处，利用Taylor展开（将其一阶展开，即假设磁场在零点周围是线性变化的）可以将零点附近的磁场表达为B（r）=δB⋅r。

应用该方法需要在空间中已知由某种物理量构成的封闭曲面。2000年发射的Cluster卫星簇在空间中构成四面体，同一时刻由它测得的磁场数据形成了空间封闭曲面，可以运用上述方法计算在某时刻是否观测得到磁场零点。该方法可以判断零点的存在，然后通过梯度矩阵特征值特征向量重构出零点附近磁场几何结构。

磁零点对理解三维磁场重联微观过程的作用磁零点研究对深入理解三维磁场重联微观过程有着至关重要的作用，Cluster星簇提供的空间四点探测数据，为研究磁场重联中奇异点磁场位形结构提供了机遇。将数学上判断奇异点的方法结合到空间多点磁场观测数据，研究了磁场重联扩散区中磁零点结构，通过计算零点位置和轨迹，估算了其运动速度和轨迹.研究表明在磁场重联扩散区存在磁零点和可能的双零点磁结构。当计算的Poincaré指数中间从−1到+1的过程中出现了值为0的时刻，分析这几个时刻发现，计算得到的磁场散度和梯度的大小与值为−1的时刻十分接近。当Poincaré指数为−1或+1时，零点位于卫星四面体内；当Poincaré指数为0的时，认为该时间段磁零点仍存在，但靠近四颗卫星构成的四面体的某一个面，由于零点的运动在某些时刻落在了卫星四面体外，因此Poincaré指数为零。

Priest等人根据零点附近磁力线的运动特征提出了三种零点重联模型，即spine重联，fan重联和separator重联。Spine重联模型中电流沿spine轴。而在fan重联模型中电流在fan面内。Separator重联模型考虑一对由separator（即零点-零点连线）连接的零点，此时电流沿separator线。其中separator线是两个fan面的交线构成，当fan面为空间曲面时，separator线也为空间曲线，并不是一般情况下简单的直线结构。初步结合由磁场旋度得到的电流来判断在零点处磁场重联类型。计算了2001年10月08日事件中关注时间段的电流，得到As型零点spine方向与电流的夹角为41°，fan面法线方向与电流的夹角为33°；Bs型零点spine方向与电流的夹角为14°，fan面法线方向与电流的夹角为35°。结果表明该事件观测到的零点周围发生的磁场重联似乎并不是理论上预期的这三种重联中的任何一种。当同时存在平行和垂直于spine的电流时，零点附近的磁场重联应该包含上述几种磁场重联的特征。由于在计算磁零点和电流密度时，利用了线性假设，因此得到的电流并不一定准确。而且对于真正的磁场重联零点而言，周围的等离子体流应该也存在一个奇异点。在非稳态的情况下，由于磁场与等离子体流场之间的相互作用，X型点的空间位置将随着时间而改变，由磁场重联形成的磁岛和等离子体团也随时间而运动。此外，三维非稳态的磁场重联还可以形成磁通量绳。因此结合计算机模拟和卫星观测，深入研究磁场重联扩散区中关于零点和多零点结构和相互关系，伴随零点的粒子的加速和波动过程及其与磁场重联的内在联系，对理解和揭示三维磁场重联的物理实质和微观与耦合过程具有十分重要的意义。2

湍动磁重联中的间歇性能量耗散为了揭示磁重联中的能量耗散，首先要识别X线和O线。这需要（1）多颗卫星同时位于磁重联扩散区内，并具有亚离子尺度的卫星间距；（2）一种能够重构卫星周围磁场拓扑结构的工具。欧洲航天局（ESA）的四颗编队卫星Cluster可以满足第一准则：2003年秋，Cluster卫星在地球磁尾探测到几次磁重联事件，离子扩散区的尺度为1000公里。在这些事件中，Cluster卫星间距为200公里，即1/5离子尺度，因此所有卫星同时位于扩散区内。而为了符合第二个标准，研究团队最近开发并测试了一种新的方法，即一阶泰勒展开（FOTE）。该方法在2015年以封面文章的形式发表于空间物理学著名期刊JGR上并受到了国际同行的广泛关注。

北京航空航天大学国际交叉学院的研究团队使用FOTE方法和Cluster卫星2003年的实测数据，揭示磁重联中的能量耗散。他们在磁重联扩散区发现很多灯丝电流和磁零点，最强的电流出现于螺旋磁零点（O线）和分形线上。在每个灯丝电流处，动力学尺度的湍动明显增强，且能量耗散比典型值大100倍。在重联射流的反转处，即径向零点（X线）处，电流、湍动和能量耗散都非常小。所有这些特点都清楚地表明，磁重联的能量耗散发生在O点处而不是X点处。

相关研究成果发表于国际空间物理学著名期刊GeophysicalResearchLetters（GRL）上，并被美国地球物理协会（AGU）评为研究亮点（AGUResearchSpotlights）。美国地球物理学会（AGU）和欧洲空间局（ESA）分别对该项成果做出了专题报道。3

本词条内容贡献者为:

王宁 - 副教授 - 西南大学