利用欧空局“Cluster Constellation”任务18年来的数据，科学家们绘制了地球周围空间中的重金属地图，发现了出人意料的铁分布和流动，并揭示了我们宇宙环境的组成。空间通常被认为是没有物质的空荡荡区域，但空间并不是真的空的：物质的分布只是非常非常稀疏。在地球附近，科学家称之为“地球空间”的空间实际上充满了带电粒子：带负电荷的电子和带正电荷的离子混合物。
令人惊讶的发现
这些离子是我们在地球空间中看到电动力学过程中的关键角色，并促成了宇宙这一部分动荡多变的性质。研究使用了欧空局于2000年8月发射的“Cluster Constellation”任务数据，该任务在太空中即将迎来20周年纪念日，以探索一种被认为在地球附近相对罕见的重要离子：铁。
（上图所示）太阳(左)和太阳风(右)是一种持续流动的带电粒子（带负电荷的电子和带正电荷的离子）渗透太阳系并影响地球磁环境(右)。图片：ESA; Sun: ESA/NASA/SOHO/LASCO/EIT
通过深入研究从2001年到2018年收集的数据，研究人员发现了地球空间中出人意料的铁分布。其研究发现现已发表在《地球物理研究》期刊上，马克斯·普朗克太阳系研究所和挪威卑尔根大学伯克兰空间科学中心的主要作者斯坦·哈兰德说：
虽然数量很少，但到处都发现了铁：在观测覆盖的整个地球空间区域，以及在近地太阳风中不断涌出的带电粒子，在大约10%的观测中发现了铁，考虑到铁离子的相对稀缺性，这是令人惊讶的，没想到会这么频繁地发现它。
然而，令人惊讶的不是铁本身的存在，而是它的性质。日本宇宙航空研究开发机构/美国国家航空航天局(JAXA/NASA)的GeoTail卫星，花了25年多的时间观察地球磁环境，在2017年探测到地球空间中的单电离的铁，这些铁原子只被剥离了最外层的电子。新研究结果不仅证实了这一发现，而且提供了这幅图景一个重要的新部分。
欧空局“Cluster Constellation”任务观测集中在比GeoTail高得多的能量范围，让我们对地球周围的空间有了更全面的了解，不仅探测到了单电离的铁，也探测到了多电离铁。这些离子处于更高的能量状态，已经被剥夺了一个以上的电子。太阳风中的铁往往以较高电荷状态出现，所以需要这个更宽、更高的能量范围来了解太阳风及其对地球磁环境的影响。
地球周围空间中的铁来源
离子可以从上方或下方进入地球空间，一些从地球大气层向上移动，而另一些则从太阳风流入。铁等重金属的来源仍然存在争议——这些离子从哪里来，对我们地球周围看到的现象有何贡献？GeoTail的观测重点是铁从地球大气层向上移动，能量相当低。研究发现，来自太阳的铁要多得多，能量也要高得多。同时还在地球极冠上方的区域发现了铁，这是GeoTail观测没有覆盖的地方。
在先前研究成果的基础上，这项新研究更深入地探索了电离铁的潜在来源。这是理解地球空间、磁层、太阳风的动力学和特性，以及这些结构如何相遇和相互作用的关键因素。之前的研究提出，在较高纬度探测到铁离子可能是由于多种因素造成，包括陨石进入地球大气层并破裂，从大气层某些层升起的粒子，甚至是从月球抛出的粒子。然而，新观测结果并没有显示这些过程中任何一个过程令人信服的证据；
（上图所示）欧空局“Cluster Constellation”任务期间集群航天器之间的距离。图片：ESA
相反，研究人员认为铁直接来自太阳，关于铁的分布和存在数据随着时间的推移而变化，其方式与地球磁场的扰动和太阳活动长期波动相匹配。这表明，地球周围空间中的大部分铁来自通过磁层的太阳风，而不是从地球的大气层向上传播。为了绘制地球空间的组成图，研究人员以一种意想不到的方式使用了欧空局“Cluster Constellation”任务的数据。
隐藏在数据中
研究人员利用收集的测量值，这些测量值不是为了科学目的，而是为了对航天器的一种仪器——RAPID（自适应粒子成像探测器研究）进行操作诊断。该仪器通过测量在探测器内的能量和旅行时间来识别和表征检测到的各种离子。对于普通的科学活动，快速只计算氢、氦和氧原子的这些性质；然而，出于诊断目的，该仪器为有限数量的粒子提供了额外性质，将探测范围扩大到更重的离子。
这些测量用于校准仪器并确保其按预期运行。然而，科学家们使用这些总共122000小时的诊断性观察来确定进入的离子组成，并识别铁粒子。RAPID测量离子组成的能力至关重要，因为需要成分测量来帮助科学家更好地理解在地球上或地球附近发现的各种元素来自哪里，并描述我们的宇宙环境。了解地球周围的空间是欧空局“Cluster Constellation”任务核心目标之一。
挖掘档案
欧空局“Cluster Constellation”任务围绕地球编队飞行的四个航天器，花了数年时间重复进出地球磁场，以研究太阳和地球如何相互作用，并描述由这些相互作用引起的现象。这项任务的寿命和宽广的轨道使其能够收集近20年来覆盖所有近地空间区域和大部分太阳风的数据。该研究的合著者、马克斯·普朗克太阳系研究所的首席研究员、RAPH仪器的首席研究员帕特里克·戴利(Patrick Daly)说：
研究需要这么长的时间跨度，还多亏了欧空局“Cluster Constellation”任务科学档案馆，它为科学界提供了最高质量的数据以供使用。科学家花了相当大的精力来建立这个档案馆，并继续保持其非常高的校准和可靠性标准。这个档案馆是无数敬业的工程师、航天器操作员和数据归档团队的功劳，他们确保了欧空局“Cluster Constellation”任务保持运行，并仍然提供关于近地空间新的、令人兴奋的、可访问的信息。
值得注意的是，欧空局“Cluster Constellation”任务科学档案中的数据集，包括详细的诊断数据：这些数据通常不包括在所有任务档案中。欧空局“Cluster Constellation”任务项目科学家Philippe Escoubet说：
这突显了科学档案的重要性，特别是诊断数据的重要性，表明如何从这些多功能数据集中收集真正有价值的信息，以便产生尖端的科学成果。还很好地展示了研究是如何不断发展和推进的，在欧空局“Cluster Constellation”任务首次发射时，探测到铁是一个完全意想不到的结果，但这项任务继续提供关于地球周围空间环境的宝贵数据。
博科园｜研究/来自：欧空局ESA
参考期刊《地球物理研究》
DOI: 10.1029/2019JA027596
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