包裹地球的“打击乐器”——世界上最大的鼓

地球磁层会像鼓一样“轰隆作响” 
版权：E. Masongsong/UCLA, M. Archer/QMUL, H. Hietala/UTU

美国的各个大学关于一个问题争论了很久：到底谁拥有世界上最大的鼓？有望摘得这一桂冠的巨鼓包括“普渡大学大低音鼓”（Purdue Big Bass Drum）和“大贝莎”（Big Bertha）。“大贝莎”鼓这个有趣的名字来源于一战时期德国著名的榴弹炮，可惜这面大鼓的结局比较悲惨，它在二战时的曼哈顿计划中被放射性物质污染了。

然而对美国人来说不幸的是，吉尼斯世界纪录认为，将这一头的真正拥有者应该是韩国的传统长鼓：“CheonGo”鼓，这面巨鼓直径5.5米，高约6米，重量超过7吨。但是，最近发表于《自然-通讯》（Nature Communications）上的一项研究，能让所有竞争上述的对手黯然失色，因为世界上真正的巨鼓之王，其实比我们的地球还要大上几十倍，而它存在于太空中。

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你可能觉得我在胡说八道，但实际上，包围地球的磁场，也就是地球磁层（magnetosphere），就是一种复杂的巨型乐器，它能让太阳风粒子发生偏转，从而保护我们免受这种高能粒子的侵害。其实早在五十多年前我们就已经知道，磁性较弱的声波会在地球磁层中不停反弹、共振，产生一个个鲜明独立的音符，和风与弦乐器相互作用的发声方式如出一辙。只是这样产生的声音的频率比人耳能辨识的下限还要低数万倍，所以磁层内的这件鼓式“乐器”一直都存在，但直到最近我们才发现它。

鼓这种乐器的关键在于它的表面，专业一点来说就是它的膜，因为鼓是一种膜鸣乐器（membranophone）。当敲击鼓的膜时，产生的振动涟漪在表面传播开来，碰到固定的边缘再反射回来，两种波相遇就会产生“驻波”（standing wave）：鼓膜上一些特定的点保持静止，而其他的点则上下振动。这种特殊的驻波模式以及相关的波动频率完全由鼓表面的形状所决定。事实上，“通过听音能否判定鼓的形状”这个问题，从上世纪六十年代起就引起了数学家的兴趣，如今仍悬而未决。

地球磁层的外部边界面被称为磁层顶（magnetopause），性质非常接近弹性膜，随着太阳风的强度不同，磁层顶会膨胀或收缩，从而产生表面波，在磁层顶上传播开来。科学家比较常关注的是这些波如何从磁层侧面向下传播，但实际上它们也应该会向磁极传播。

物理学家往往会将复杂的问题极大地简化，以便看到问题的本质。在45年前，这种方法曾帮助理论学家率先证明：这些表面波确实可能会反射回来，让磁层像鼓一样振动。但如果移除掉一些简化因素之后， “鼓膜理论 ”是否就会无法成立了呢？我们现在还无从得知。

此外，如果要证明这个理论，卫星数据中似乎也难以找到令人信服的观测证据。不同于天文学，空间物理学所处理的问题通常都是看不见摸不着的，没办法只通过到处拍照来作研究，我们还得发射卫星然后进行测量；但是这又意味着，我们只能了解有卫星的位置所发生的情况，难就难在卫星能否在正确的时间达到正确的位置，并找到我们需要的东西。

在过去的数年中，伦敦玛丽女王大学（Queen Mary University of London）的马丁•阿彻（Martin Archer）和同事进一步发展了磁性鼓理论，希望能在数据中搜寻到可验证的特征。研究人员其实可以为这些振荡提供严格的证据，只是这意味着至少需要在磁层顶附近有4颗排成一行的卫星。

幸运的是，NASA的热辐射成像系统（THEMIS）不只有4颗卫星，而是有5颗卫星给研究人员使用，接下来需要做的就是找准时机，也就是“鼓槌击鼓”的那一刻，然后测出“鼓面”会如何反应、如何发声。所谓的“击鼓”，实际上是一股高速粒子猛烈冲击磁层顶，一旦发生了，那么一切就会变得明朗。研究人员还重现过鼓声实际听起来的样子（见视频）。

这项研究真实地展现了科学的狡猾之处：听上去相对简单的东西，却花了我们整整45年的时间来证明。发现探索之旅仍是前路漫漫，接下来研究人员希望找到这种鼓式震动在地球甚至其他星球发生的频率，以及它们对太空环境的影响：还有很多工作需要完成。

这一切终将帮助我们解开磁层的节奏律动之谜。

参考：
[1]https://theconversation.com/weve-discovered-the-worlds-largest-drum-and-its-in-space-111465
[2]https://www.nature.com/articles/s41467-018-08134-5