[科普中国]-磁场重联

磁重联是等离子体中磁场能量快速转换为粒子动能和热能的主要途径，是空间物理和等离子体物理中的

重要现象。磁重联过程发生在磁场的拓扑分形面上；这种分形面一般是由磁零点附近磁场梯度张量的本征矢量确

定的。磁零点的三维特性要求至少空间4点的同时测量。C

简介磁场重联（magnetic reconnection），或磁力线重联（magnetic field line reconnection），又称磁场湮灭，是天体物理中一种非常重要的快速能量释放过程，也是磁能转化为粒子的动能、热能和辐射能的过程。普遍认为太阳上的能量释放就是磁重联导致的。

磁场重联，取描述磁力线“断开”（break）再“重新连接”（reconnect）的物理过程的意思。磁场重联是科学家迄今知之甚少的神秘领域之一，美国国家航空航天局(NASA)最近一项日地探测任务——磁层多尺度任务(Magnetospheric Multiscale，MMS)，将对此进行深入研究，以大大增进人们对这一现象的了解。

2016年6月21日，中国天文学家首次观测到了太阳上一个全新物理现象——磁重联可以释放磁纽缠。

基本概念太阳耀斑爆发太阳大气层中的突然爆炸，在短短几分钟内释放出相当于数十亿颗原子弹的能量。耀斑的起因是太阳磁场突发的重新排布。这些磁场从太阳表面向上拱起，可以通过在磁场束缚下的发光气体来追寻它们的踪迹。

03年10月底11月初，科学家目睹了一场有记录以来最大的太阳耀斑(solar flare）爆发。这些带电粒子大规模地倾泻而出，即使在地球以及地球周围的空间里也显而易见——这里距离源头整整有1.5亿千米远。举例来说，突击到我们邻近空间中的粒子，它们的轰击有时会非常强大，以至于许多科学卫星和通信卫星不得不暂时关闭，少数还遭到永久性的损伤。同样，国际空间站的宇航员也面临着危险，不得不到空间站上防护相对较好的服务舱中寻求庇护。在地球上，定期航班避开了高空航线，因为在那里，飞行员可能会遇到无线电通讯方面的问题，乘客和乘务人员可能吸收到的辐射剂量令人担忧。电网也不得不严格监控电涌(surge）。尽管有了这些努力，瑞典南部的5万户居民还是短暂地失去了电力供应。

幸运的是，即使与最糟糕的太阳风暴狭路相逢，地球的磁场和大气层也可以保护地球上绝大多数的人免遭蹂躏。但是社会对科技的依赖日益加深，使得在某种程度上，几乎每个人都容易遭受攻击，参见《科学美国人》2001年4月号詹姆斯·L·伯奇所著《太空风暴的怒吼》一文。在大耀斑爆发的过程中，最大的潜在破坏来自那些高速射离太阳外层大气的物质——在空间物理学家的术语中，它们被称为“日冕物质抛射（coronal mass ejections）”。其中一些抛射事件会将巨量的电离气体送入与地球相撞的轨道中，就像2003年多次异常巨大的耀斑爆发那样。

名字命名尽管科学家一直想弄清楚是什么引起了耀斑爆发和日冕物质抛射（它总是伴随着众多耀斑出现），但只有十年中，观测才达到足够的水准，足以揭露出它们的纷繁复杂，阐明它们背后的物理机制。这多亏了20世纪90年代引入的一些新技术。结果证明，问题的关键在于磁力线突然的重新排布，这种现象被称为磁重联（reconnection）。

磁扭缠2016年6月21日，中国天文学家首次观测到了太阳上一个全新物理现象——磁重联可以释放磁纽缠。

这是科学家利用中国自主研制的设备首次观测到这种新的现象，同时又通过磁流体力学数值模拟重现了这一物理过程。相关研究成果已发表在国际权威期刊《自然·通讯》上。该项研究成果由中科院云南天文台、南京大学、中科院紫金山天文台、德国波茨坦大学、中科院国家天文台合作完成。

论文通讯作者、中科院云南天文台闫晓理博士介绍，天文学家利用云南天文台抚仙湖观测站“一米新真空太阳望远镜”的高时间和空间分辨率Hα波段观测数据，结合太阳动力学天文台观测的紫外、极紫外和矢量磁场数据，以及日出和地球同步环境监测卫星等空间望远镜的X射线数据，详细研究了发生在2014年10月3日活动区12178中的暗条爆发中的磁重联过程，发现了在暗条细丝和周围的色球纤维之间发生了磁重联，并首次观测到通过磁重联把暗条的磁纽缠快速释放出去的物理过程。

纽缠的磁结构可以形象地比喻成非常缠绕的绳子，如果从绳子两头向相反的方向使劲拧绳子，绳子就会越来越缠绕，达到一定程度发生形变，最终导致断裂，这跟太阳上纽缠磁结构的爆发有点类似。当太阳上磁结构的纽缠达到一定程度时，就会不稳定，开始爆发并释放出能量。我们的研究就是发现了具有纽缠磁结构的暗条不稳定开始爆发，爆发过程中通过磁重联把暗条中磁纽缠释放出去1。

磁力线的交错“等离子体”想要理解磁重联事件确切的发生过程，首先必须大致了解一下，不可见的磁拱如何束缚住太阳大气层中的炽热气体。把这样的气体称为“等离子体”（plasma）更为恰当，因为它主要是由相互分离的电子和质子构成，这意味着它是导电的。因此，电场可以推动这些带电粒子沿着电力线运动，产生电流。磁场也会对这样的带电粒子施加作用力，使它们绕着磁力线盘旋。

尽管电子和质子都被迫以这种方式绕着磁力线旋转，但是它们可以沿着这些磁力线的延伸方向相对自由地移动。我所说的“相对”，是指假如带电粒子朝着磁力线汇聚的方向运动，就会遭遇一种阻力。举例来说，从磁拱的顶部下降到底部的过程中，当一个粒子靠近回路的“足点”（foot point，是指磁力线会聚的地方，那里的磁场更为强烈），它的速度就会减慢。最终，越来越强的磁场会使这个电子或质子停滞下来，再将它反推回去。这个过程就好像将网球扔向床垫。床垫中的弹簧会阻止网球的下坠，最终将它反弹上去。不过在这个例子中，网球的动能会被暂时地转移给弹簧，而太阳上的带电粒子则不同，它们并没有将自身的能量转移给磁场。相反，它们向下运动的能量被转移到盘旋运动上，增加了它们围绕磁力线旋转的频率。通过这种方式，一个磁拱的两个足点就像反射镜一样，将质子和电子来回反射。对带电粒子来说，磁拱实质上已经成为一个巨大的陷阱。

简单解释让人吃惊的是，等离子体本身也可以对束缚着它的磁场产生影响。因为作为一片带电粒子的海洋，等离子体可以容纳电流。在任何存在电压差来驱动电流的地方，电流都可以出现。在更为常见的电路中，比如在一个手电筒中，电池提供了驱动电压。在太阳上，没有类似电池的东西存在，但是磁场的变化造成了电压差，由此产生电流（这里依据的原理，与使发电机运转的原理相同）。这些电流会产生新的磁场，使事情变得更加复杂。这种效应，再加上磁场足点变换不定的移动趋势，太阳大气层中高度扭曲的磁场形成了一整套的变化模式。这些磁场蕴含着可观的磁场能量，成为太阳耀斑的能量源泉。

到此为止，我们描述的还只是一些基本的物理原理，这是科学家早已了解了几十年的东西。当有人试图确切解释，这些磁场能量如何被转变为热能、加速粒子、抛射物质的时候，问题就出现了。一种可能的解释只是简单地出于对电路的考虑：任何电路都不能仅由它所携带的电流和驱动电荷流动的电压来描述，它还与其中存在的电阻有关。举例来说，灯泡中的灯丝为流经的电流提供了电阻，将电能变成光和热消耗掉。太阳的大气层也提供了电阻，因为组成电流的带电粒子有时会相互碰撞，阻碍它们运动，使物体升温。此外，驱动电流的电压也拥有一个与之相伴的电场。如果这个电场够强大，电子和离子就会被加速到某种程度，足以脱离炽热的等离子体。高温和高能粒子，这正是太阳耀斑的组成部分。

可惜，这种简洁的解释没能很好地经受住精细的检查。因为日冕中的电阻通常相当低——低到无法解释太阳耀斑增亮时的爆发速率。而且，就算电阻较高，所需的磁场能量如何能集中在一个地方，又如何在一场突如其来的爆发中释放，仍然难以解释。研究者几十年前就得出结论：一个可以驱动简单、孤立电流的电压，无法足够迅速地加热太阳大气层，或者制造出一个足以形成耀斑的被加速的粒子流。

多年来，空间物理学家提出了各式各样更为复杂的想法：他们推测，耀斑是许多不同电流汇聚的结果，或是一大团狂暴的等离子体波动和与之相伴的随机电场的产物。如此特殊的组合也许具备产生耀斑的能力，但这些机制无法解释所有的观测数据，尤其是日冕物质抛射的倾向性：它们经常与大耀斑同时出现。一个更有发展前景的理论不仅涉及电场的动力学，还与对应的磁场有关。所以，让我更详细地描述一下磁场的物理性质好了。

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本词条内容贡献者为:

张磊 - 副教授 - 西南大学