内磁层中行星际激波激发的超低频波对“杀手”电子和能量离子的快速加速

辐射带中的能量电子与离子是首要的空间天气威胁. 理解这些粒子如何在辐射带中被 加速是空间物理学的主要挑战之一. 本文总结了行星际激波在内磁层激发的超低频(ULF)波 对“杀手”电子与能量离子的快速加速的最新进展. 甚低频(VLF)波-粒子相互作用被认为是电 子加速的主要机制之一, 这是因为电子回旋共振容易在VLF 波频率范围内发生. 最近, 运用4 颗Cluster 卫星的观测, 发现在行星际激波作用于地球磁层之后, 辐射带中的能量电子几乎立 即被加速, 并且加速过程持续数小时. 传统的加速机制是基于VLF 波粒相互作用加速电子至 相对论能量, 时间尺度长达数天, 因而无法解释我们的观测. 进一步发现行星际激波或太阳 风压强脉冲, 与更加小的动压变化, 对辐射带动力学起到无法忽视的作用. 行星际激波与地 球磁层相互作用会产生许多重要的空间物理学现象, 包括能量粒子加速. 由行星际激波作用 引起的辐射带能量电子的快速加速的机制包括3 个组成部分: (1) 由与激波相关的磁场剧烈压 缩引起的初始绝热加速; (2) 与不同L 壳层被激发的极向模ULF 波造成漂移-共振加速; (3) 与 ULF 波相关的快速衰减的电场引起的粒子加速. 粒子最终会获得净加速, 因为它们在上半个 周期获得的能量多于在下半个周期损失的能量. 本文得到的结果对理解在地球Van Allen 辐 射带中的能量粒子加速有了新的认识, 同样也可以被应用于行星际激波与其他行星的相互作 用, 例如水星、木星、土星、天王星和海王星, 以及其他有磁场存在的天体.     

地球中微子:来自地球深部的信使

中微子是构成物质世界最基本的单元之一,在自然界广泛存在.正在建设的江门中微子实验站(JUNO)是我国第二个大型国际领先的中微子实验站.地球中微子(geo-neutrino)是地球内部天然放射性元素(主要是~(238)U,~(232)Th和~(40)K三种同位素)衰变产生的反电子中微子.它们在衰变过程中也同时释放出大量热能,是驱动地球演化的主要地热能来源之一.地球中微子的通量和产生的热能成固定比例.因此,测量地球中微子的通量,可以获得放射性元素分布及其对地热能的贡献.江门中微子实验站的探测器质量为2万吨,运行一年所获取的地球中微子事例数达到400个以上,超过全球已有地球中微子探测器10年所探测事例的总和.江门中微子实验站周围500 km以内贡献50%以上的地球中微子事例数,利用地球科学手段可合理、有效估算实验站周围及邻区地壳的贡献,实验站测量总数减去地壳贡献,可得到地幔的贡献.因此,有效充分利用实验站可望帮助解决放射性元素衰变对地热能的贡献、测量Th/U比值和来自地幔的放射性地热等问题,并推动国内中微子地球科学研究的交叉领域发展.本文首先介绍了地球内部有关热量未解决的科学问题及地球中微子可能的贡献,其次介绍了地球中微子研究的国内外现状及精确地壳结构模型研究的重要意义,随后着重介绍了江门中微子实验的地球中微子探测潜力及其独特的地理位置和探测优势对地球科学研究的意义,最后给出总结和展望.     

地球的尘埃圈

苏联曾在1964年发射了轨道呈椭圆形的"电子"卫星.其中在"电子1号'和"电子3号"卫星上装有流星粒子记录器.当时的测试结果表明,地球的附近存在着稠密的尘埃,可当时并没有引起人们的注意.     

地球同步轨道磁场和等离子体行为对行星际激波的响应

行星际激波是一个影响全球地空环境包括磁层-电离层时空变化的重要因素. 主要利用1997~2007年的GOES卫星磁场数据和1997~2004年的LANL卫星的等离子体(MPA)数据, 采用个例分析和时间序列叠加的统计分析方法来研究地球同步轨道磁场和等离子体质子(0.1~45 keV)和电子(0.03~45 keV)在行星际激波到达前后3 h内的变化特征以及质子和电子温度各向异性变化可能激发的电磁离子回旋波和电子哨声波. 研究结果表明, 激波锋前到达同步轨道后, 同步轨道总磁场强度在白天扇区(8~16 LT)有明显增强, GSM坐标系下的B_Y分量在激波到达前后几乎无变化, B_Z分量与总磁场变化趋势非常一致. 同步轨道质子密度在夜晚扇区明显增加, 峰值到达1.2 cm⁻³. 质子温度在夜晚扇区增强, 正午之前的扇区(8~10 LT)温度减小. 同步轨道电子密度和温度整体上都是夜晚扇区增强, 白天扇区减弱, 密度峰值为2.0 cm⁻³. 推算出的氧离子密度在激波的影响下黄昏侧密度峰值为1.2 cm⁻³, 并表现出明显的晨昏不对称性. 质子的温度各向异性在正午扇区增强, 夜晚扇区的各向异性明显减小. 在激波锋前到达同步轨道之前, 电子的温度各向异性白天扇区高于夜晚扇区, 在激波锋前到达之后, 正午和黄昏扇区的各向异性几乎不变, 而午夜扇区温度各向异性明显减小. 质子和电子的温度各向异性可能激发电磁离子回旋波和电子哨声波. 根据质子的温度各向异性计算的电磁离子回旋波强度在激波到达后白天扇区(8~16 LT)迅速增加, 最大值为0.8 Hz. 根据电子的温度各向异性计算的电子哨声波在激波到达同步轨道之后表现为白天扇区(8~16 LT)明显增大, 最大值接近2 kHz左右, 夜晚扇区电子哨声波明显减小.     

核合成的氙同位素记录及早期太阳系

本文采用逐步加热法测定了阿伦德(C3V)碳质球粒陨石中两个硫化铁单矿物样品的氙同位素丰度,其中一个样品中利用~(130)Te(n,γ,2β~-)~(131r)Xe核反应形成了一定量的示踪氙同位素以监测样品气体的释放.硫化铁在950℃熔化时,释放出大量的地球型氙Xe-T。示踪同位素~(131r)Xe与地球型氙Xe-T同时在这一温度释放,这证实了阿伦德碳质球粒陨石形成时摄取的氙确是地球型氙。地球型氙还出现于地球与火星的大气中、太阳上以及各类陨石的硫化物相中。这些结果意味着地球型氙处于原行星星云的中心富硫铁区域,它们向太阳系形成的主流假说提出了挑战。行星系统形成于不均一的超新星碎片的模式可以解释:(1)大尺度元素和同位素不均一性及短半衰期放射性同位素的衰变子体(如~(26)Al,~(107)Pd及~(129)I);(2)陨石中另外几个元素的镜像(+和-)同位素异常;(3)目前已经证实的另一个行星系统——围绕脉冲星PSR1257+12沿轨道运行的3颗行星。     

中国东部裂谷系地幔脱气的氦同位素证据

大气中发现的放射性成因(~40)Ar和(~4)He被认为是地球内部放射性元素(如铀、钍等)自然衰变的产物经地球脱气进入大气圈的.稀有气体同位素组成及其相对比值是地球脱气理论和地幔地球化学演化很重要的地球化学指标,据此提出了地球脱气的连续性模式和突变性模式.地球脱气在时间上有突变性,在地理位置或大地构造位置上具不均匀性.大陆裂谷、大洋中脊、火山岛孤是地球脱气通量最大的地带.地球裂谷带不仅有大量挥发分从地球深部向外逃逸,而且有大量地球深部岩浆和热向上逸出.本文根据三十多个氦同位素数据和其他地球化学、地质学资料来讨论中国东部大陆裂谷地幔的脱气.     

关于极盖吸收事件的能量下限

极盖吸收(PCA)事件是低能太阳宇宙线质子进入地球极区上空电离层,使极区D层电子浓度增加,从而增强了它对无线电波的吸收,形成极盖电波通讯中断,它甚至会影响到臭氧层和极区的天气过程。PCA事件之后也往往跟随着地球磁暴和电离层骚扰,在全球范围内影响着无线电短波通讯,因此它是一种重要的地球物理扰动现象。     

水循环的地质演变:研究现状与关键问题

由大陆-海洋-大气之间水的3种相态(固态-液态-气态)相互转换和位移构成的水循环,是地球气候系统的主要过程之一.太阳辐射量在地球表面分布不均匀,是地表水循环的基本驱动力.水循环与碳循环密切关联,是气候系统演变中的两条主线.不同时空尺度的水循环和碳循环受天文、地质和生物因素以及它们之间相互作用的控制,揭示水循环地质演变过程及其与气候变化之间的关系,可为了解当今水文气候变化提供宝贵启示.通过水循环地质演变研究现状回顾,提出如下5个科学问题应在未来予以重点关注:(1)雪球地球时期的水循环;(2)植被起源和演化对水循环的影响;(3)深时热带辐合带(inter-tropical convergence zone, ITCZ)的演变与水循环;(4)暖室期地下水与海平面变化;(5)深时水循环中的氧同位素示踪.同时建议我国未来亟须加强的4个研究方向:(1)深时冰室期向暖室期转变中的水循环;(2)深时水循环与生态系统演变;(3)深时水循环研究方法的发展;(4)深时水循环与长周期地球系统演变的数值模型.     

地球内部物质的运动与动力

地球物理学研究的主体内涵是地球内部物理学,而地球内部物理学研究的核心则是地球内部结构、物质的运动和力源及其响应.在研究和探索地球内部物质与能量交换的深层过程与力源机制的基础上提出:(1)地球内部各圈层结构和物质组成是研究物质运动、介质属性、结构和深层过程的基础;(2)大陆漂移、海底扩张和板块运动是地球内部岩石圈物质飘曳在软流圈上运动极为重要的地球科学事件,大陆溢流玄武岩的喷发和地幔热柱的上升体现了水平力系与垂直力系并存和其耦合响应;(3)强烈地震的发生、火山喷发、青藏高原的整体抬升、第二深度空间金属矿产资源、油气能源形成与聚集是地球内部物质与能量交换的产物;(4)地球内部物质运动的驱动力源是其物质力学属性研究与探索的核心问题之一,但有关一系列的假说却难以解释发生在地球上的诸多事件,唯地幔对流说取得了较多的共识,由于尚缺乏可靠的精确实测论据,故乃为一假说;(5)地球内部放射性元素蜕变和核-幔热动力边界层及其产生的热能可能是驱动地球内部物质运动最可能的能源.地球内部是否可能还存在像天体运动研究中最近提出的"暗物质"和"暗能量"呢?为此尚必须深化认识地球本体.     

地球内部流体的动力学过程与机制

<正> 1 现代地球科学 地球内部流体行为研究涉及到5个方面的问题:即流体在地球内部不同层位的(1)存在形式;(2)分布;(3)来源;(4)迁移过程以及(5)迁移过程中与所附存的岩石间所发生的化学的和物理的作用。这5个方面代表了地球内部流体研究的最关键性问题。地球内部流体的动力过程(dynamic processes)则主要是指第(4)和第(5)个问题。由于进行地球内部流体研究所涉及问题的广泛性和特殊性,以及进行地球内部流体研究时必须以整个现代     

生命的起点

一、地球生命来自何处?关于地球生命的来源,主要有三种说法.其一是神创说.此说只在中外的神话故事里仍有地位,对科学研究来说毫无意义.其二是天降说.按此说,地球生命是天外来客.本世纪初,建立电离理论学说的阿伦尼乌斯(Arrheni-us)提出的宇宙胚种论(panspermia)最为出名.后来又有不少人,如荣获诺贝尔奖金的克里克与奥格尔(Orgel)(1973)、横尾与大岛(1979)、豪勒(Hoyle)与威克拉玛兴赫(Wickramasinghe)(1978、1979、1981)等前后提出各种假说.天降说对研究地球生命来自何处的问题,不失为一家之言.但对一般地研究生命起源(不限于地球生命)的问题,天降说等于未作     

激发创新活力,促进学科发展——记首届地球科学前沿学术沙龙

正由Science Bulletin编委会和编辑部主办、中国科学院青藏高原地球科学卓越创新中心协办的首届地球科学前沿学术沙龙于2020年1月11日在北京召开.此项活动前身是由国家自然科学基金委员会地球科学部结合"国家杰出青年科学基金"实施10周年纪念活动和"十一五"地球科学发展战略规划的研讨发起的"地球科学家学术沙龙",此前分别于2003年(北京)、2005年(北京)、2008年(南京)、2010年(广州)和2012年(厦门)举办了5届.参会者一直以《科学通报》地球科学编委会成员为主.地球科学家学术沙龙一直与国家自然科学基金委员会地球科学部的学科发展战略研讨活动相结合,旨在促进地球科学各分支学科科研一线的中青年学者交流和合作.沙龙研讨的内容涉及地球深部和表层科学各个领域,有效地促进了不同领域和方向的学术交流.根据此次学术沙龙的决议,地球科学前沿学术沙龙将继承之前"地球科学家学术沙龙"的传统,作为系列学术活动继续举办下去,每两年一次,以促进地球科学各分支学科的交流和学科交叉.     

水伏科学与技术的召唤

正水覆盖了约71%的地球表面,占人体重量约70%,在细胞里的含量可达80%.水与能量相生,维持着大至地球系统的能量循环,小至生物体的温度平衡,是天然的吸能器、储能器、换能器和传能器.水吸收了太阳辐射到达地表能量的近70%,在地球上动态吸纳释放能量的年平均功率高达60万亿千瓦(10~(15)瓦),比全人类目前年平均能量消耗功率高3个数量级.     

说氧

氧不仅是地球上分布最广、含量最多的元素,同时又是地球上所有生命赖以生存的物质。数10亿年来,正是氧与二氧化碳互为补充的神奇循环,造就了万物繁荣的地球。氧气(O_2)主要分布在地球表面附近大气中,并随着海拔高度增高而递减。据科学家研究得知,早期地球大气中并没有氧气,直到25亿年前,一种原始的海洋生物绿藻大量繁殖起来后才有了变化。绿藻能利用水进行光合作用,把水分解成为电子、质子和氧气。现在地球大气中的氧气含量,很稳定地维持在     

从比较行星学角度看“地球有限膨胀演化模型”

在《科学通报》第44卷第9期的 "地球有限膨胀演化模型"[1]一文中, 该文作者认为: 地球按R(T)=R0+A(1-exp(β(t-ts)))规律膨胀(注: 在文献[1]的摘要及正文的公式(12)中均误为 ; 地球已经生成了46亿年, 在生成3亿年后(ts)开始膨胀, 初始半径R0为4651 km, 最终半径可达 R0 + A = 6511 km; 从地球形成至今的46亿年来, 在近43亿年的时间里半径增加了1720 km, 即平 均密度从14200 kg/m3(2.57倍于当前密度)减小到5520 kg/m3.在讨论全球构造的问题时, 我们必须注意到, 由于行星际探测的发展, 大大丰富了人类对太阳系的认识[2], 任何有关行星地球…     

电离层:高高在地球之上

自从奥利弗·洛奇(Oliver Lodge)第一次给出为什么马可尼(Marconi)能够在弯曲的地球表面发送电磁波的物理解释以来我们已经前进了100年。根据对电子和电离的新的认识,洛奇认识到太阳的紫外辐射     

不同行星际条件下磁层顶区的磁场位形

用二维可压缩MHD方法,模拟研究了不同行星际磁场(IMF)条件下背阳侧磁层顶的瞬时重联.在此基础上,提出了3个新的全球磁层顶重联结构模式.主要结果如下:1.IMF具有北向分量(B_(Iz)>0):不论IMF x分量是太阳向(B_(Ix)>0)还是尾向(B_(Ix)<0),在南北半球靠近极隙区的背阳侧磁层顶,各存在着一个磁场重联区.IMF和地球磁场在此区发生重联,形成x中性线.在x中性线尾侧,重联的磁力线都是张开的,两端都不与地球联接;在x中性线的地球向一侧,极隙区的地球磁场与IMF重联,在向阳     

九龙江河口区不同粒级210Po的输入-迁出速率及其意义

对九龙江河口区表层水中溶解态、低分子量组分和胶体态210Po的地球化学行为进行了分析, 估算了3种组分的输入-迁出速率. 结果表明, 溶解态和低分子量组分210Po均表现出强烈的迁出行为, 胶体态210Po在低盐区(S＜15)迁出而高盐区(S＞15)输入. 3种组分210Po输入-迁出速率揭示了210Po在九龙江河口区被快速地迁出. 输入与迁出速率之间的差异反映了各组分210Po地球化学行为的不同. 低分子量组分210Po比通常所谓的溶解态210Po更适合于表征其在河口区的地球化学行为.     

环境中硒的迁移、微生物转化及纳米硒应用研究进展

硒,人类及动物不可或缺的微量元素之一,在地球化学循环中扮演着重要角色.自然界中的硒通过风化作用从磷化岩、煤矿等富硒源中释放,经沉降、挥发、大气循环、生物作用等方式在生态系统中迁移转化.在众多迁移转化途径中,微生物对硒的转化尤为重要,主要包括异化还原、同化还原、氧化、甲基化和去甲基化5种方式.其中,异化还原是去除环境介质中SeO_4~(2-)及SeO_3~(2-)的主要方式,产物纳米硒(SeNPs)凭借独特的物理化学性质广泛应用于电子、医学、环境修复等领域.然而,关于生物源SeNPs合成的过程调控、机制解析,乃至生物信息学相关研究尚处于初步探索阶段.因此,本文综述了硒在环境中的迁移转化过程,着重阐述了微生物对硒的转化机理,以及生物合成SeNPs在化学传感器、抗癌领域及催化领域的应用,旨在为揭示硒元素的地球化学循环、微生物转化机制,及拓宽生物SeNPs的应用领域提供必要的信息及理论参考.     

别藻蓝蛋白聚集体中的色素耦合模型

对别藻蓝蛋白 (APC)的亚基、单体、三聚体的电子吸收光谱及其色素耦合模型进行了详细研究 .APC单体的电子吸收光谱近似地为α亚基和 β亚基电子吸收光谱之线性叠加 ;而APC三聚体 (αβ) 3 的电子吸收光谱不再是两个亚基电子吸收光谱的线性叠加 ,在 6 5 0nm处出现了新的吸收峰 .现今的“二聚体模型”和“三聚体模型”都不能很好地解释该结果 .我们的模型仅忽略距离最远的不同单体的α_PCB的激子相互作用 ;并采用群论理论对其进行描述 ;分析结果不仅解释了APC三聚体在 6 5 0nm处新的吸收峰的出现 ,而且解释了在可见光区它至少有 3个本征跃迁 .