彗星令人驚嘆的彗尾對人類來說是有趣的天文現(xiàn)象，除了帶給我們震撼的視覺享受，明亮的彗尾還向行星際空間發(fā)射大量物質(zhì)，包括塵埃和帶電粒子。帶電粒子被太陽風(fēng)拾取，可以與太陽風(fēng)一起注入行星空間環(huán)境。彗星物質(zhì)被認為可以直接驅(qū)動地球空間的磁暴，1910年哈雷彗星回歸的時候，地球表面發(fā)生全球磁場擾動（Russell et al., 1988），這為彗星如何影響地球空間和表面電磁環(huán)境提供了重要線索。彗星物質(zhì)如何與太陽風(fēng)融合共同驅(qū)動地球環(huán)境的機理卻并不清楚，對彗星物質(zhì)、行星空間和地面環(huán)境進行監(jiān)測是深化彗星影響空間環(huán)境過程研究的關(guān)鍵，但這樣的監(jiān)測迄今為止依然非常有限。
73P/Schwassmann–Wachmann 3是一顆短周期的木星族彗星，軌道周期為5.4年，由Arnold Schwassmann 和 Arno Wachmann于1930年共同發(fā)現(xiàn)。1995年，彗星開始分裂成5塊碎片。在其返回近日點期間，經(jīng)歷了多次爆發(fā)，并分裂成許多碎片。通過望遠鏡對73P/Schwassmann-Wachmann 3彗星進行光譜觀測，發(fā)現(xiàn)了此彗星具有典型的OI原子發(fā)射線（圖1）。
圖1 （a）73P/Schwassmann–Wachmann 3去除天光背景的光譜成像；（b）73P/Schwassmann-Wachmann 3光譜與HD 197076恒星光譜比值；（c）Spitzer太空望遠鏡拍攝的彗星圖像
位于日地拉格朗日L1點的ACE/SWICS衛(wèi)星在 2006年5月23日至6月17日觀測到了顯著的O+通量，并且基于位置信息可以確認O+來自于73P/Schwassmann–Wachmann 3。日地L1位于日地連線上，因此該位置的太陽風(fēng)被認為可以直接吹到地球上游。相比1910年的哈雷彗星回歸時代只有數(shù)個地面臺站的觀測數(shù)據(jù)可分析，2006年彗星73P期間的觀測數(shù)據(jù)非常豐富，包括了太陽風(fēng)粒子和磁場、大量的地面磁場臺站和極光臺站，以及繞地球低軌道飛行的光學(xué)相機和粒子探測。中國科學(xué)院地質(zhì)與地球物理研究所地球與行星物理院重點實驗室趙勇博士后，與合作導(dǎo)師堯中華、魏勇等，通過分析太陽風(fēng)、地球低軌道以及地面臺站數(shù)據(jù)，揭示了彗星物質(zhì)對地球空間環(huán)境的影響。
圖2顯示了2006年5月23日至6月17日期間AE指數(shù)、DST指數(shù)、太陽風(fēng)O+通量及兩次明顯的極光增強事件。DST是有地球中低緯度區(qū)域的磁場臺站數(shù)據(jù)推導(dǎo)的磁場擾動，反映的是全球磁場爆。而AE指數(shù)反應(yīng)地球高緯度的磁場擾動，直接反映極光電流的強度?？梢郧逦乜吹教栵L(fēng)O+通量在5月29日和6月5日分別出現(xiàn)明顯增強。與之對應(yīng)的是DST和AE指數(shù)出現(xiàn)明顯擾動，DMSP衛(wèi)星觀測到的極光也出現(xiàn)明顯的增強特性。
圖2 2006年5月23日至6月17日期間AE指數(shù)、DST指數(shù)、O+流量及兩次明顯的極光增強事件
完整的觀測鏈條凸顯了彗星物質(zhì)對行星空間環(huán)境的關(guān)鍵影響：利用光譜和成像觀測確認了氧原子，并且在預(yù)期的位置上通過ACE衛(wèi)星監(jiān)測到了被電離之后的氧離子通量增加，隨即伴隨氧離子通量增加的太陽風(fēng)抵達地球，利用地面臺站觀測到了全球磁場擾動且低軌道DMSP衛(wèi)星拍攝到顯著的極光增強。
該研究直接證實了Russell et al.（1988）提出來的彗星會導(dǎo)致地球磁暴的觀點，但關(guān)于彗星物質(zhì)在太陽風(fēng)中如何匯集且如何量化地影響行星空間環(huán)境，還需要進一步的觀測和數(shù)值模擬綜合研究，這也是他們下一步的研究計劃。
研究成果發(fā)表于國際學(xué)術(shù)期刊Geoscience Letters （趙勇，閆麗梅，堯中華*，魏勇*，郭瑞龍，賴海容，張彬錚. Auroral responses to the visit of comet 73P/Schwassmann–Wachmann 3 in 2006 [J].Geoscience Letters，2022. DOI:10.1186/s40562-022-00245-8）。研究成果得到國家自然科學(xué)基金項目(42074211)、中科院地質(zhì)與地球物理研究所重點部署項目(IGGCAS-201904)和中科院青年創(chuàng)新促進會優(yōu)秀會員(No. Y2021064)聯(lián)合資助。
美編：傅士旭
校對：萬鵬
