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我国学者在地球极区电离层发现“太空台风”

2021年03月01日 星期一 10:00:32 来自: 国家自然科学基金委员会

在国家自然科学基金项目(批准号:41874170、41574138、41604139、41831072)资助下,山东大学张清和教授、中国科学院国家空间科学中心王赤研究员及美国约翰霍普金斯大学张永良研究员合作,基于电离层卫星观测数据,在极区电离层与磁层发现了类似台风(或飓风)的现象,命名为“太空台风(Space Hurricane)”,并采用三维磁流体力学模拟的方法,揭示了其形成机制。研究成果以“地球极区电离层上空的太空台风(A Space Hurricane over the Earth's Polar Ionosphere)”为题,于2021年2月22日发表在《自然&通讯》(Nature Communications)上,并被《自然》(Nature)选为研究亮点,论文链接:https://www.nature.com/articles/s41467-021-21459-y .

台风(或飓风)是发生在低层大气中的强烈热带气旋。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?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,空间浩大、环境恶劣、观测缺乏,人类一直没有发现类似台风(或飓风)的蛛丝马迹。针对这一科学挑战,张清和等基于电离层卫星观测,发现2014年8月20日,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(图1),持续近8小时,并伴随有明显的强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”。

张清和等进一步应用高时空分辨率三维太阳风—磁层—电离层耦合磁流体力学模型对此现象进行数值模拟。研究发现,在长时间地磁极端平静条件下,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(图2)。该结构形成了太阳风带电粒子直接进入地球中高层大气、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。这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。

该研究成果促进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。



图1:2014年8月20日世界时1618美国国防气象卫星(DMSP)的极光观测(图a. 投影在地磁与磁地方时坐标系)和主动磁层与行星电动力学响应实验(AMPERE)的场向电流观测图像(图b. 从北极上空俯视).

图2:三维磁流体力学模拟的场向电流分布在磁层的三维切片图(a-b)和在电离层的投影图(c)以及部分磁力线的三维分布图(d).

 

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