我国学者揭示跨极盖多重极光弧形成新机制

　　近期，在国家自然科学基金项目等的资助下，山东大学张清和教授带领的国际团队，利用卫星和我国南极中山站地基观测数据，结合中国科学院国家空间科学中心的三维磁流体力学模拟，首次揭开了发生在地球南北极的“跨极盖多重极光弧”的神秘面纱，提出了新的形成机制，这将提升人们对极光弧形成的认知。该成果以“跨极盖多重极光弧揭示地球磁尾耦合过程的新认识（Multiple transpolar auroral arcs reveal new insight about coupling processes in the Earth’s magnetotail）”为题，于6月29日在《美国科学院院刊》（PNAS）上在线发表。山东大学为论文第一和通讯作者单位，张清和教授为第一和通讯作者，美国约翰霍普金斯大学张永良研究员和中国科学院国家空间科学中心王赤院士团队均做出重要贡献。

　　图一：我国南极中山站拍摄的多重极光弧照片（邢赞杨摄）

　　“跨极盖极光弧”是发生在地球南北极高纬地区（极盖区）的一类弧状极光现象，该极光弧经常横跨整个极区，连接日侧和夜侧极光带，尺度达数千公里。有时，在整个极盖区仅出现一条跨极盖极光弧，因其与极光椭圆一起构成形状如横写的希腊字母“θ”而被称之为“Theta极光”；极盖区有时会出现多条跨极盖极光弧，被称为“跨极盖多重极光弧”。跨极盖极光弧常常发生在地磁平静期，其形成、分布和演化直接受磁层动力学过程和电离层大尺度对流等的调制和影响，是太阳风-磁层-电离层耦合在极区电离层的典型踪迹之一，能够反映日地能量的耦合过程。跨极盖极光弧所引起的极光粒子沉降还能引起电离层闪烁，影响人类在极区的通讯和导航定位等。但是，由于磁层、电离层空间的浩大和极区恶劣的自然环境所导致的观测缺乏，跨极盖极光弧，尤其是跨极盖多重极光弧的形成机理至今尚不明确。

　　针对这一科学问题，近年来，张清和教授带领团队与国内外研究者合作，利用一系列先进的观测设备或装置和计算机数值模拟，展开了系统性研究。这些装置和模拟包括磁层月球轨道卫星、电离层卫星和我国南北极地面台站的观测，以及中国科学院国家空间科学中心对相关事件的高时空分辨率三维太阳风-磁层-电离层耦合磁流体力学模拟。

　　研究团队发现，2017年9月7日，在一次行星际磁场长时间北向的地磁平静期内，南极上空的极盖区内出现了多达六条以上明亮的跨极盖极光弧现象（亮度比极光椭圆内的极光还强，而通常情况下极盖区是没有明显极光的，极光大都发生在极光椭圆内）。经观测与模拟对比分析发现，该平静期内，较强的太阳风与磁层相互作用在磁层边界层以及磁尾内部形成了多条拉伸的对流剪切片，进而在地球的磁尾产生多条拉长的场向电流片（长达几十甚至上百个地球半径），这些电流片能够有效地加速局地电子，使这些电子沉降到极区电离层，进而形成了跨极盖多重极光弧。同时，该研究团队还发现，这类因发生在磁层的对流剪切而形成极光弧的机制可能对极区所有极光弧的形成都普遍适用，进而揭开了极光弧形成的神秘面纱。

    该工作得到了审稿人的高度评价，认为“该论文解决了在解释跨极盖多重极光弧（TPAs）时所面临的一些明显困难。因此，我认为该论文在我们理解跨极盖极光弧（TPA）方面不仅仅是前进了一步（…, the paper resolves some apparent difficulties that have faced the interpretation of TPAs. I would therefore consider this paper to offer more than an incremental step in our understanding of TPAs.）”。

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　　图二：DMSP卫星与我国南极中山站极光观测图像。图像被投影在地磁与磁地方时坐标系中，是从南极上空往下看的效果。

　　图三：该事件期间，中国科学院国家空间科学中心三维磁流体力学模拟的场向电流在磁层磁赤道面内的分布及其沿磁力线在南极电离层的投影。

　　近年来，张清和教授团队聚焦极区电离层-磁层耦合及其空间天气效应等国际热点和难点科学问题开展了系统性的研究工作，取得了一系列研究成果，包括利用极区电离层等离子体云块完整追踪不同条件下的磁层大尺度对流循环方面的工作，其中一篇成为Science当期亮点[Science, 339, 1597-1600 (2013)]、一篇登上J. Geophys. Res.封面[JGR, 121, 9063–9074 (2016)]，并受邀撰写了美国地球物理学会（AGU）学术图书中关于高纬电离层不均匀体方面的章节[AGU Monograph chapter, 16, 285-302 (2020)]等。