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北京時間2月22日18點，《自然·通訊》(Nature Communications)在線發(fā)表了山東大學(xué)空間科學(xué)研究院教授張清和領(lǐng)導(dǎo)的國際團(tuán)隊最新研究成果，并被《自然》(Nature)選為了研究亮點。該研究中，科學(xué)家首次在地球極區(qū)電離層與磁層發(fā)現(xiàn)了類似臺風(fēng)或颶風(fēng)的現(xiàn)象，并將其命名為“太空臺風(fēng)(Space hurricane)”，且揭示了其形成機制。

低層大氣中發(fā)生的強烈熱帶氣旋被稱為臺風(fēng)或颶風(fēng)。令科學(xué)家好奇的是，在地球或者其他行星的高層大氣中，是否也存在類似的現(xiàn)象?

在空間科學(xué)家看來，與低層大氣的中性粒子環(huán)境不同的是，高層大氣(磁層和電離層)屬等離子體(帶電粒子)環(huán)境，如果真的存在臺風(fēng)或颶風(fēng)現(xiàn)象，將預(yù)示著一次非常高效率的日地能量耦合過程。“發(fā)現(xiàn)高層大氣的這種特殊現(xiàn)象，將更新人們對太陽風(fēng)-磁層-電離層耦合過程的認(rèn)識。”張清和告訴《中國科學(xué)報》，“因此，全球科學(xué)家一直在努力尋覓它的蹤影。”

不過，由于高層大氣空間浩大、環(huán)境惡劣，長期以來這一區(qū)域內(nèi)觀測缺乏，類似臺風(fēng)或颶風(fēng)的現(xiàn)象一直沒有現(xiàn)身。

針對這一科學(xué)挑戰(zhàn)，近年來張清和帶領(lǐng)團(tuán)隊與國內(nèi)外研究者合作，利用系列先進(jìn)的觀測設(shè)備或裝置以及計算機數(shù)值模擬，展開了系統(tǒng)研究。研究團(tuán)隊所采用的“利器”包括月球軌道衛(wèi)星、電離層衛(wèi)星和我國南北極地面臺站等，以及中科院空間中心對相關(guān)事件的高時空分辨率三維太陽風(fēng)-磁層-電離層耦合磁流體力學(xué)模擬。

2014年8月20日出現(xiàn)在北極的一種巨型極光亮斑引起研究人員的高度關(guān)注。當(dāng)時，正處于一次長時間的地磁極端平靜條件下，地球北極磁極點附近出現(xiàn)類似于臺風(fēng)氣旋狀的極光亮斑結(jié)構(gòu)，其水平尺度超過1000公里。

“通常情況下，磁極點附近的極蓋區(qū)是沒有明顯極光的，極光大都發(fā)生在緯度較低的極光橢圓內(nèi)。”張清和指出，“而它的亮度比極光橢圓內(nèi)的極光要強得多，所以顯然這個亮斑不是我們見過的極光。”

更為全面地觀測數(shù)據(jù)表明，該結(jié)構(gòu)伴隨有明顯的強的亮斑狀上行場向電流、強等離子體對流渦旋剪切、離子上行、局部電子溫度上升1000K 以上、先負(fù)后正的雙極磁場結(jié)構(gòu)、沉降電子被加速到10keV以上、堪比超級磁暴的電子沉降能通量等特點。

對此，研究人員認(rèn)為，其與臺風(fēng)或颶風(fēng)的特征非常類似，包括中心處“臺風(fēng)眼”的等離子體速度接近為0、預(yù)示著磁場存在圓形擾動等。因此，他們將這一從未觀察到的新現(xiàn)象命名為“太空臺風(fēng)”。

研究人員還經(jīng)過進(jìn)一步觀測與模擬對比分析揭示了“太空臺風(fēng)”形成的機制。這一長時間極端平靜期內(nèi)，發(fā)生在地球高緯磁層頂?shù)妮^為穩(wěn)定的尾瓣磁場重聯(lián)及其引起的磁力線或磁流管的演化，促使在地球北極的磁極點上方的電離層與磁層形成了一個巨大的順時針旋轉(zhuǎn)的漏斗形磁螺旋結(jié)構(gòu)。該結(jié)構(gòu)形成了太陽風(fēng)帶電粒子直接進(jìn)入地球中高層大氣和電離層離子上行和逃逸至磁層的通道，極大提升了太陽風(fēng)-磁層能量的耦合效率。同時，該結(jié)構(gòu)所引起的極端空間天氣環(huán)境也能直接影響相關(guān)區(qū)域內(nèi)的無線通訊導(dǎo)航與定位、超視距雷達(dá)探測和衛(wèi)星的正常運行等。

張清和表示，這一研究表明，在極端平靜地磁條件下，極區(qū)仍可能存在堪比超級磁暴活動時的局地劇烈地磁擾動和能量注入現(xiàn)象，這更新了人們對極端平靜條件下太陽風(fēng)-磁層-電離層耦合過程的認(rèn)識。

張清和為該研究論文的第一和通訊作者，美國約翰霍普金斯大學(xué)應(yīng)用物理實驗室研究員張永良及中科院空間中心研究員王赤團(tuán)隊等做出重要貢獻(xiàn)。該項研究受國家自然科學(xué)基金、國家子午工程和國際空間科學(xué)研究所等項目支持。

論文DOI：10.1038/s41467-021-21459-y(作者：甘曉)