我國(guó)科學(xué)家對(duì)極區(qū)電離層“等離子體云塊”的形成和演化過程研究取得重大突破

3月29日，最新一期的《科學(xué)》(Science)雜志將中國(guó)極地研究張清和博士等在極區(qū)電離層“等離子體云塊”的形成和演化過程的重要成果作為當(dāng)期亮點(diǎn)刊登（Direct Observations of the Evolution of Polar Cap Ionization Patches, Sciecne,2013; 339 (6127): 1597-1600, Issue Highlights）。該論文由國(guó)家自然科學(xué)基金（項(xiàng)目批準(zhǔn)號(hào)：41274149, 41104091,41031064, 40890164）等項(xiàng)目資助，首次直接觀測(cè)到了一次強(qiáng)磁暴襲擾地球期間，極區(qū)電離層“等離子體云塊”的完整演化過程，并揭示了“磁重聯(lián)”在云塊形成和演化過程中的重要調(diào)制作用。

太陽(yáng)不僅照亮整個(gè)太陽(yáng)系，還時(shí)時(shí)刻刻朝四面八方噴射高速等離子體，這就是“太陽(yáng)風(fēng)”。由于極區(qū)是地球開向太空的天然窗口，地球磁力線在極區(qū)高度匯聚并幾近垂直向太空開放，太陽(yáng)風(fēng)與地球磁層相互作用會(huì)在極區(qū)高層大氣引起眾多的物理現(xiàn)象，其中“等離子體云塊”最為常見。尺度從幾百到幾千公里不等的“等離子體云塊”常常引起極端空間天氣環(huán)境，使得人類的超視距無(wú)線通訊和衛(wèi)星－地面間的通訊中斷，直接影響近地飛行器（飛機(jī)、宇宙飛船等）和低軌衛(wèi)星等的正常運(yùn)行及其與地面通訊，甚至威脅到航天員的生命安全。研究極區(qū)電離層“等離子體云塊”如何形成和演化是國(guó)際空間天氣領(lǐng)域中最重要的課題之一。理論上，極區(qū)“等離子體云塊”在日側(cè)極光帶赤道側(cè)附近產(chǎn)生，并沿極區(qū)電離層對(duì)流線向極蓋區(qū)（地球南北極開放磁力線區(qū)域）運(yùn)動(dòng)，最后從夜側(cè)流出極蓋區(qū)。整個(gè)演化過程中“等離子體云塊”內(nèi)帶電粒子因與周圍相反極性帶電粒子復(fù)合而密度逐漸減小。然而，由于極區(qū)的惡劣自然環(huán)境和觀測(cè)數(shù)據(jù)的缺乏，這些“等離子體云塊”如何形成和演化，尤其是在惡劣空間天氣環(huán)境下如何形成和演化，一直是困擾國(guó)際空間天氣和通訊導(dǎo)航等領(lǐng)域科學(xué)家的一大難題。

由中國(guó)極地研究中心主導(dǎo)的國(guó)際合作團(tuán)隊(duì)分析研究了多年的多手段觀測(cè)數(shù)據(jù)，并從中挑選出了200多個(gè)災(zāi)害性空間天氣事件進(jìn)行深入分析，同時(shí)開展相應(yīng)的計(jì)算機(jī)模擬實(shí)驗(yàn)。利用國(guó)際超級(jí)雙子極光雷達(dá)網(wǎng)（SuperDARN）和全球定位系統(tǒng)（GPS）地面接收機(jī)的聯(lián)合觀測(cè)數(shù)據(jù)，這一團(tuán)隊(duì)首次直接觀測(cè)到2011年9月26日一次強(qiáng)磁暴襲擾地球期間，極區(qū)電離層“等離子體云塊”的完整演化過程。經(jīng)過進(jìn)一步的理論研究，首次發(fā)現(xiàn)“夜側(cè)磁重聯(lián)”（當(dāng)兩條磁極方向相反的磁力線無(wú)限接近時(shí)，兩條磁力線分別斷開并“重新聯(lián)結(jié)”的物理過程稱之為磁重聯(lián)）在等離子體云塊演化過程中扮演著重要的“開關(guān)”角色。當(dāng)夜側(cè)磁重聯(lián)發(fā)生時(shí)，攜帶云塊運(yùn)動(dòng)的開放磁力線因重聯(lián)而閉合，相當(dāng)于開關(guān)打開，云塊可以從重聯(lián)X線在電離層投影處流出極蓋區(qū)，并沿著晨昏兩側(cè)對(duì)流線向日側(cè)演化，演化過程中密度逐漸減小，進(jìn)而破碎成斑塊，并逐漸沿對(duì)流線形成低密度帶，當(dāng)?shù)兔芏葞c“舌狀”電離區(qū)（地球大氣中性成分受太陽(yáng)光的照射而被電離產(chǎn)生的等離子體受地球自轉(zhuǎn)和電離層對(duì)流的影響而被“甩”成一個(gè)“舌狀”的窄帶，該窄帶從磁正午附近伸進(jìn)極蓋區(qū)）相遇后，會(huì)通過改變局地等離子體環(huán)境，而將“舌狀”電離區(qū)“撞斷”形成一塊新的等離子體云塊。當(dāng)夜側(cè)磁重聯(lián)停止時(shí)，開關(guān)關(guān)閉，云塊只能在極蓋區(qū)內(nèi)沿對(duì)流線和通過極蓋區(qū)的膨脹而向日側(cè)演化。這一成果將更新人們對(duì)“等離子體云塊”的形成和演化的認(rèn)識(shí)，將為極區(qū)電離層建模和空間天氣預(yù)報(bào)提供重要物理依據(jù)。

該研究是中國(guó)極地研究中心在多年極區(qū)電離層研究基礎(chǔ)上的重大突破。自上世紀(jì)九十年代開始，該中心便一直致力于極區(qū)電離層和極光研究，形成了一支具有國(guó)際學(xué)術(shù)水平的研究團(tuán)隊(duì)，并在我國(guó)南極中山站和北極黃河站建設(shè)了多要素的、世界先進(jìn)水平的高空大氣物理地磁共軛觀測(cè)系統(tǒng)（幾乎處在地球磁場(chǎng)的同一條磁力線的南北兩端）。近年來(lái)，在國(guó)家重大科技設(shè)施項(xiàng)目子午工程和極地考察十五能力建設(shè)項(xiàng)目的資助下，我國(guó)在南極中山站成功架設(shè)了高頻相干散射雷達(dá)并加盟SuperDARN國(guó)際組織，觀測(cè)能力得到極大地加強(qiáng)。通過充分開展國(guó)際合作與交流，該中心取得了上述重要突破。