我國科學家對極區(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》(Science)雜志將中國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期亮點刊登（Direct Observations of the Evolution of Polar Cap Ionization Patches, Sciecne,2013; 339 (6127): 1597-1600, Issue Highlights）。該論文由國家自然科學基金（項目批準號：41274149, 41104091,41031064, 40890164）等項目資助，首次直接觀測到了一次強磁暴襲擾地球期間，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。

太陽不僅照亮整個太陽系，還時時刻刻朝四面八方噴射高速等離子體，這就是“太陽風”。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，太陽風與地球磁層相互作用會在極區(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、宇宙飛船等）和低軌衛(wèi)星等的正常運行及其與地面通訊，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際空間天氣領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)電離層對流線向極蓋區(qū)（地球南北極開放磁力線區(qū)域）運動，最后從夜側(cè)流出極蓋區(qū)。整個演化過程中“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，一直是困擾國際空間天氣和通訊導航等領域科學家的一大難題。

由中國極地研究中心主導的國際合作團隊分析研究了多年的多手段觀測數(shù)據(jù)，并從中挑選出了200多個災害性空間天氣事件進行深入分析，同時開展相應的計算機模擬實驗。利用國際超級雙子極光雷達網(wǎng)（SuperDARN）和全球定位系統(tǒng)（GPS）地面接收機的聯(lián)合觀測數(shù)據(jù)，這一團隊首次直接觀測到2011年9月26日一次強磁暴襲擾地球期間，極區(qū)電離層“等離子體云塊”的完整演化過程。經(jīng)過進一步的理論研究，首次發(fā)現(xiàn)“夜側(cè)磁重聯(lián)”（當兩條磁極方向相反的磁力線無限接近時，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。當夜側(cè)磁重聯(lián)發(fā)生時，攜帶云塊運動的開放磁力線因重聯(lián)而閉合，相當于開關(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)對流線向日側(cè)演化，演化過程中密度逐漸減小，進而破碎成斑塊，并逐漸沿對流線形成低密度帶，當?shù)兔芏葞c“舌狀”電離區(qū)（地球大氣中性成分受太陽光的照射而被電離產(chǎn)生的等離子體受地球自轉(zhuǎn)和電離層對流的影響而被“甩”成一個“舌狀”的窄帶，該窄帶從磁正午附近伸進極蓋區(qū)）相遇后，會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。當夜側(cè)磁重聯(lián)停止時，開關(guān)關(guān)閉，云塊只能在極蓋區(qū)內(nèi)沿對流線和通過極蓋區(qū)的膨脹而向日側(cè)演化。這一成果將更新人們對“等離子體云塊”的形成和演化的認識，將為極區(qū)電離層建模和空間天氣預報提供重要物理依據(jù)。

該研究是中國極地研究中心在多年極區(qū)電離層研究基礎上的重大突破。自上世紀九十年代開始，該中心便一直致力于極區(qū)電離層和極光研究，形成了一支具有國際學術(shù)水平的研究團隊，并在我國南極中山站和北極黃河站建設了多要素的、世界先進水平的高空大氣物理地磁共軛觀測系統(tǒng)（幾乎處在地球磁場的同一條磁力線的南北兩端）。近年來，在國家重大科技設施項目子午工程和極地考察十五能力建設項目的資助下，我國在南極中山站成功架設了高頻相干散射雷達并加盟SuperDARN國際組織，觀測能力得到極大地加強。通過充分開展國際合作與交流，該中心取得了上述重要突破。