地球磁层的外部边界面被称为磁层顶，性质非常接近弹性膜；它就像包裹着地球的鼓面，让太阳风在上面敲出“鼓点”。
图片来源：Encyclopédie de l'environnement
来源 the Conversation
撰文 Martin Archer
翻译 阿金
审校 折玖
长久以来，美国的各个大学一直在争论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”有趣的名字来源于一战时期德国著名的榴弹炮，这面大鼓最后在二战时的曼哈顿计划中，被放射性物质污染了。
然而，让美国人感到遗憾的是，吉尼斯世界纪录将这一真正头衔授予了韩国的传统长鼓“CheonGo”鼓。这面鼓直径 5.5 米，高约 6 米，重量超过 7 吨。但是，最近发表于《自然-通讯》上的一篇论文，能让所有竞争对手黯然失色，因为世界上真正最大的鼓，其实比我们的地球还要大上几十倍，而它存在于太空中。
地球之鼓
你可能会觉得我纯属胡诌，但是，包围地球的磁场，也就是地球磁层（magnetosphere），实际上是一种复杂的巨型乐器，它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。
早在五十多年前我们就知道，磁性较弱的声波会在地球磁层中不停反弹共振，产生一个个鲜明的音符，就和风与弦乐器相互作用的发声方式如出一辙，只是这些声音的频率比人耳能辨识的下限还要低数万倍。我们磁层内的这件鼓式“乐器”一直都存在，但直到最近才被发现。
磁性鼓膜
鼓的关键之处在于它的表面，专业一点来说就是它的膜，即鼓是一种膜鸣乐器（membranophone）。当你敲击鼓的表面时，振动产生的涟漪在表面传播开来，碰到固定的边缘又反射回来，这会产生“驻波模式”：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，它会随着太阳风的强度不同而膨胀或收缩，从而产生表面波，在磁层顶上传播开来。科学家常关注的是这些波如何从磁层侧面向下传播，但实际上它们应该也会向磁极传播。
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。
狡猾的科学
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，没办法只是通过到处拍照片来作研究，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，我和同事进一步发展了磁性鼓理论，让我们能在数据中搜寻到可验证的特征。我们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 颗卫星供我们“耍”，我们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，这种情况一旦发生，一切就会变得明朗。我们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，接下来我们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。
论文信息
标题 Directobservations of a surface eigenmode of the dayside magnetopause
作者 M.O. Archer, H. Hietala, M. D. Hartinger, F. Plaschke & V. Angelopoulos
期刊 NatureCommunications
DOI 10.1038/s41467-018-08134-5
摘要 The abrupt boundary between a magnetosphere and the surrounding plasma, themagnetopause, has long been known to support surface waves. It was proposedthat impulses acting on the boundary might lead to a trapping of these waves onthe dayside by the ionosphere, resulting in a standing wave or eigenmode of themagnetopause surface. No direct observational evidence of this has been foundto date and searches for indirect evidence have proved inconclusive, leading tospeculation that this mechanism might not occur. By using fortuitous multipointspacecraft observations during a rare isolated fast plasma jet impinging on theboundary, here we show that the resulting magnetopause motion andmagnetospheric ultra-low frequency waves at well-defined frequencies are inagreement with and can only be explained by the magnetopause surface eigenmode.We therefore show through direct observations that this mechanism, which shouldimpact upon the magnetospheric system globally, does in fact occur.
论文链接 https://www.nature.com/articles/s41467-018-08134-5
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编辑：AI
