“小樓一夜聽春雨,深巷明朝賣杏花”。風(fēng)云變換、冷熱交替、日夜輪轉(zhuǎn)、四時(shí)更迭,低層大氣的天氣和氣候時(shí)至今日仍然深刻影響著人們的生產(chǎn)生活。而隨著人類的探索范圍逐漸走向更高遠(yuǎn)的星辰大海,宇宙空間中的天氣變化對(duì)人類活動(dòng)的影響已不可忽略。
地球極地區(qū)域是開向太空的天然窗口,是空間天氣變化最直觀、最活躍的關(guān)鍵區(qū)域之一。在這里來自太陽風(fēng)的高能帶電粒子能如落雨一般沉降至極區(qū)電離層激發(fā)絢爛極光;太陽風(fēng)與地球磁層相互作用也會(huì)驅(qū)動(dòng)極區(qū)高層大氣高速對(duì)流,使得極區(qū)電離層的等離子體時(shí)而匯聚成云,時(shí)而消融于背景空間中。這些與背景相比特征突出(主要是密度與背景不一致)的結(jié)構(gòu)被稱為不均勻體結(jié)構(gòu)。這些不均勻體結(jié)構(gòu)由于其顯著的密度差異或電磁特性,會(huì)對(duì)人類的通訊、導(dǎo)航、電力設(shè)施及航天系統(tǒng)等產(chǎn)生顯著的影響,甚至?xí){人類生命財(cái)產(chǎn)安全。
因此,厘清極區(qū)電離層不均勻體的形成機(jī)理和演化特征及其相關(guān)的日地能量耦合過程,可以進(jìn)一步加深人類對(duì)空間天氣的認(rèn)知,有助于空間天氣建模、預(yù)報(bào),使空間天氣更好地服務(wù)于人們?nèi)粘Ia(chǎn)生活。
子午工程團(tuán)隊(duì)成員,山東大學(xué)“太陽爆發(fā)及其對(duì)行星空間環(huán)境的影響”攀登計(jì)劃創(chuàng)新團(tuán)隊(duì)中的極區(qū)電離層-磁層耦合課題組,基于子午工程中山站高頻雷達(dá)所屬的南北極SuperDARN雷達(dá)網(wǎng)、黃河站極光全天空成像儀等設(shè)備觀測(cè)數(shù)據(jù),并結(jié)合空間中心的PPMLR-MHD高分辨率磁流體動(dòng)力學(xué)模擬結(jié)果,系統(tǒng)研究了兩類典型極區(qū)電離層不均勻體的形成機(jī)理和演化特征。
研究結(jié)果發(fā)現(xiàn):(1)在行星際磁場(chǎng)(IMF)長時(shí)間的強(qiáng)北向條件下,因太陽風(fēng)-磁層相互作用而使得極光橢圓帶內(nèi)邊界急劇向高緯收縮,進(jìn)而合并,形成“馬軛型”極光并致使極蓋區(qū)近乎消失,預(yù)示著地球磁層近乎閉合(地球磁層開放磁力線幾乎被剝蝕殆盡,形成準(zhǔn)偶極磁層,磁尾僅有28個(gè)地球半徑,圖1);(2)出現(xiàn)在亞極光帶區(qū)域的喉區(qū)極光,內(nèi)部存在的眾多精細(xì)結(jié)構(gòu)在不斷向高緯運(yùn)動(dòng),故而,其伴隨的粒子沉降產(chǎn)生的高密等離子體便從亞極光帶向極光帶和極蓋區(qū)輸運(yùn),進(jìn)而形成等離子體云塊(等離子體云塊形成新機(jī)制,圖2);(3)因日側(cè)磁層頂磁場(chǎng)重聯(lián)而形成的極向運(yùn)動(dòng)極光結(jié)構(gòu)及其伴隨的粒子沉降會(huì)局部加熱相應(yīng)區(qū)域的高密度等離子體云塊,形成熱等離子體云塊,而后熱等離子體云塊被對(duì)流輸運(yùn)進(jìn)入極蓋區(qū),其電子溫度由于粒子沉降減少而降低,逐漸轉(zhuǎn)變?yōu)槔涞入x子體云塊(圖3)。
這些研究成果不僅有助于我們深入理解不同太陽風(fēng)條件下的極區(qū)動(dòng)力學(xué)過程,為極區(qū)空間天氣建模和預(yù)報(bào)提供物理依據(jù),同時(shí)也很好地展示了子午工程多臺(tái)站、多設(shè)備、全球化的協(xié)同監(jiān)測(cè)能力,表明其具備極大的服務(wù)空間天氣研究、建模和預(yù)報(bào)的科學(xué)價(jià)值與應(yīng)用前景。


圖1 強(qiáng)北向IMF條件下磁層異常收縮與重塑

圖2 喉區(qū)極光誘發(fā)等離子體云塊的新機(jī)制


圖3 冷、熱等離子體云塊的形成與演化過程
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1.https://doi.org/10.1038/s43247-023-00700-0
2.https://doi.org/10.1029/2022GL102263
3.https://doi.org/10.1029/2022JA031166