空间中心科研人员在极区电离层等离子体云块研究方面取得进展

极区电离层是日地能量耦合过程中关键区域之一，太阳风-磁层相互作用会在极区电离层引起众多不均匀体结构。极区电离层等离子体云块就是其中一种，其由密度高出背景两倍以上的等离子体团组成。通常认为，脉冲式日侧磁重联的发生使得开闭合磁力线边界向赤道方向光致电离区域拓展，随后携带局地的高密度等离子体沿逆阳方向的电离层对流向极盖区运动而形成等离子体云块。等离子体云块形成之后，在电离层对流的进一步作用下继续沿逆阳方向进入并跨越极盖区，最后在夜侧磁重联的调制下离开极盖区。在其形成和演化过程中，其边缘通常存在陡峭的密度梯度从而引起电离层传输信号产生闪烁现象，会给人类的通讯、导航、电力设施和航天系统等造成很大的危害。因此，研究极区电离层等离子体云块的形成和演化的物理机理对于空间天气建模预报至关重要，这也是国际上极区电离层-磁层耦合研究领域的热点和难点研究课题之一。

中国科学院国家空间科学中心太阳活动与空间天气重点实验室王赤院士团队的张清和研究员（通讯作者）、唐斌斌研究员与特别研究助理张端（第一作者），利用GPS TEC、SuperDARN雷达网、DMSP卫星观测数据及PPMLR-MHD模型模拟数据，分析了2014年2月27日16:00-24:00UT行星际磁场南向条件下的中等地磁暴主相期间（如图1），一系列电离层大尺度的等离子体云块“波纹状”演化过程。16:50UT左右（黑色虚线），激波撞击磁层顶，IMF和太阳风剧烈变化, 引起了中等强度地磁暴。

图1. 2014年2月27日16:00-24:00UT期间太阳风、行星际磁场条件以及跨极盖电势指数和地磁活动指数。

图2给出了事件期间GPS TEC map并叠加了SuperDARN给出了极区电离层对流模式。从图中可以看出，地磁暴发生后，极区双涡对流赤道向膨胀，CPCP指数增加，驱使高密度暴时密度增强区域（SED）进入极盖区形成舌状电离区（TOI）。CPCP指数的增强和减弱，使得高密度和低密度等离子体交替进入极盖区，形成初始的“波纹状”结构。IMF By由负转正后,云块向西北方向扭转, 并几乎处于昏侧对流涡中向夜侧运动。最后，当云块到达夜侧和昏侧的极盖区边界时,从一个很宽的区域（18-24 MLT）离开极盖区。这表明在广阔的MLT区域正在进行磁尾重联，因为穿越夜侧极盖区边界的运输需要正在进行磁尾重联。在这里，我们将“波纹状”云块结构定义为多个等离子体云块从日侧向夜侧排列，并沿着纬向逐渐延长，它们的边界曲率都近似指向同一个中心。

图2. 事件期间GPS TEC map并叠加了SuperDARN给出了极区电离层对流模式。

为了验证磁尾磁重联是否发生在较广的MLT区域，图3给出了在强南向IMF Bz和昏向IMF By条件下的PPMLR-MHD模型模拟的磁尾和其两侧磁力线的三维拓扑结构，从图中可以看出磁重联发生在一个昏侧和夜侧扇区的广泛的区域，从磁尾的中心（约24 MLT）到昏侧（约18 MLT），其特征是形成了full-open和closed场线。这使得等离子体云块向夜侧磁重联区扩展的方向伸展，并从较宽MLT区域离开极盖区。该工作不仅指出“波纹状”的等离子体云块演化过程明显是受到了日侧磁层顶重联和夜侧磁尾重联的调制，还为向昏侧扩展的磁尾磁重联现象提供了证据。

图3. 强南向IMF Bz和昏向IMF By条件下的PPMLR-MHD模型模拟的磁尾和其两侧磁力线的三维拓扑结构。

上述研究成果以“A “Wave-Like” Evolution of Polar Cap Patches Modulated by Enhanced Magnetopause Reconnection and Extended Magnetotail Reconnection”为题发表在Journal of Geophysical Research: Space Physics上。合作团队还包括挪威卑尔根大学、美国约翰斯·霍普金斯大学、美国麻省理工学院Haystack天文台和英国雷丁大学的研究人员。该成果得到国家自然科学基金项目、子午工程、中国电波传播研究所项目等的共同资助。

论文链接：

Zhang, D., Zhang, Q.‐H.*, Oksavik, K., Tang, B.‐B., Zhang, Y.‐L., Lockwood, M., et al. (2024). A “wave-like” evolution of polar cap patches modulated by enhanced magnetopause reconnection and extended magnetotail reconnection. Journal of Geophysical Research: Space Physics, 129, e2024JA033349. https://doi.org/10.1029/2024JA033349