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空间科学攀登团队在地球极区电离层上空发现“太空台风”

发布日期:2021年02月23日 14:44 浏览次数:

本站讯  北京时间22218点,《自然通讯》(Nature Communications)在线发表了山东大学太阳爆发及其对行星空间环境的影响攀登计划创新团队、空间科学研究院电离层-磁层耦合课题组组长张清和教授领导的国际团队最新研究成果,并被《自然》(Nature)选为研究亮点。该项研究成果首次在地球极区电离层与磁层发现了类似台风或飓风的现象,并将其命名为太空台风(Space hurricane,揭示了其形成机制。

该项研究利用美国“国防气象卫星”(DMSP)观测和铱卫星搭载的工程磁力计开展的主动磁层与行星电动力学响应实验AMPERE)获取的全球场向电流分布数据,结合中科院国家空间科学中心的三维磁流体力学模拟,获得以上发现。该成果将提升人们对太阳风-磁层-电离层耦合过程的系统认知。论文以"A Space Hurricane over the Earth's Polar Ionosphere"(地球极区电离层上空的太空台风)为题,山东大学为论文第一和通讯作者单位,张清和为第一和通讯作者,美国约翰霍普金斯大学应用物理实验室张永良研究员、中科院空间中心王赤研究员团队等作出重要贡献。

 

“太空台风”示意图(研究团队供图)

台风或飓风是发生在低层大气中的强烈热带气旋,往往伴随有狂风暴雨,给人类带来巨大生命或财产损失,甚至是灾难。那么在地球或其他行星的高层大气中是否存在类似台风或飓风的现象呢?这一直是科学家们好奇与寻觅的难点课题之一。与低层大气的中性粒子环境不同,高层大气(磁层和电离层)属等离子体(带电粒子)环境,若存在类似台风或飓风的现象,将预示着在该情况下日地能量耦合过程的效率会大大提高。然而,由于高层大气空间浩大、环境恶劣致使该区域内观测相当缺乏,人们也一直没有在高层大气中发现类似台风或飓风的蜘丝马迹。

针对这一科学挑战,近年来张清和教授带领团队与国内外研究者合作,利用系列先进的观测设备或装置和计算机数值模拟,展开了系统性的研究工作。这些装置和模拟包括月球轨道卫星、电离层卫星和我国南北极地面台站的观测,以及中科院空间中心对相关事件的高时空分辨率三维太阳风-磁层-电离层耦合磁流体力学模拟。

该团队发现,2014820日,在一次长时间的地磁极端平静条件下,地球北极磁极点附近发生了一类类似于台风气旋状的水平尺度超过1000公里的极光亮斑结构,亮度比极光椭圆内的极光亮得多,这是一个非同寻常的现象,因为通常情况下磁极点附近的极盖区是没有明显极光的,极光大都发生在纬度较低的极光椭圆内。该结构持续近8小时,并伴随有明显的强的亮斑状上行场向电流、强等离子体对流涡旋剪切(中心处速度接近为0台风眼)、离子上行、局部电子温度上升1000K 以上、先负后正的双极磁场结构(预示着存在磁通管结构)、电子的倒V型加速(中心附近能量可达10 keV以上)、堪比超级磁暴的电子沉降能通量等。这些特征与台风或飓风十分相似,基于此,该团队将这一现象命名为太空台风

2014820日世界时间16:18DMSP卫星的极光和AMPERE的场向电流观测图像(投影在地磁与磁地方时坐标系中,是从北极上空往下看的效果)

经观测与模拟对比分析发现:在这段长时间极端平静期内,发生在地球高纬度磁层顶的较为稳定的尾瓣磁场重联及其引起的磁力线或磁流管的演化,促使在地球北极的磁极点上方的电离层与磁层形成了一个巨大的顺时针旋转的漏斗形磁螺旋结构。该结构形成了太阳风带电粒子直接进入地球中高层大气和电离层离子上行和逃逸至磁层的通道,极大提升了太阳风-磁层能量耦合的效率。同时,该结构所引起的极端空间天气环境也能直接影响相关区域内的无线通讯导航与定位、超视距雷达探测和卫星的正常运行等。

该研究表明在极端平静地磁条件下,极区仍可能存在堪比超级磁暴活动时的局地剧烈地磁扰动和能量注入现象,更新了人们对极端平静条件下太阳风-磁层-电离层耦合过程的认识。

该事件期间,中科院空间中心三维磁流体力学模拟的场向电流分布在磁层的三维切片图和在电离层的投影图以及部分磁力线的三维分布图

“太空台风”的形成在极区电离层和磁层的示意图

该项研究是在国家自然科学基金、国家子午工程和国际空间科学研究所等项目支持下展开的。近年来,张清和教授团队聚焦极区电离层-磁层耦合及其空间天气效应等国际热点和难点科学问题开展了系统性的研究工作,取得了系列研究成果,先后有等离子体云块和跨极盖极光弧等方面的工作发表于Science [Science, 339, 1597-1600 (2013),当期亮点]PNAS[PNAS, 117, 16193-16198 (2020)] 等权威期刊,并受邀撰写了美国地球物理学会(AGU)书籍关于高纬电离层不均匀体方面的章节[AGU Monograph chapter, 16, 285-302 (2020)]等。

 

相关论文信息:https://www.nature.com/articles/s41467-021-21459-y

 

作者:杜猛   来自:空间科学研究院     责任编辑:傅振国