科學(xué)家首次在地球極區(qū)電離層與磁層發(fā)現(xiàn)類似臺(tái)風(fēng)或颶風(fēng)的現(xiàn)象 命名為“太空臺(tái)風(fēng)”
（神秘的地球uux.cn報(bào)道）據(jù)山東大學(xué)（作者：杜猛）：北京時(shí)間2月22日18點(diǎn)，《自然・通訊》（Nature Communications）在線發(fā)表了山東大學(xué)“太陽爆發(fā)及其對行星空間環(huán)境的科學(xué)影響”攀登計(jì)劃創(chuàng)新團(tuán)隊(duì)、空間科學(xué)研究院電離層-磁層耦合課題組組長張清和教授領(lǐng)導(dǎo)的家首寧波外圍（外圍女）外圍上門（電話微信189-4469-7302）全國1-2線熱門城市快速安排90分鐘到達(dá)國際團(tuán)隊(duì)最新研究成果，并被《自然》（Nature）選為研究亮點(diǎn)。次地磁層該項(xiàng)研究成果首次在地球極區(qū)電離層與磁層發(fā)現(xiàn)了類似臺(tái)風(fēng)或颶風(fēng)的球極區(qū)電現(xiàn)象，并將其命名為“太空臺(tái)風(fēng)（Space hurricane）”，離層類揭示了其形成機(jī)制。發(fā)現(xiàn)風(fēng)
該項(xiàng)研究利用美國“國防氣象衛(wèi)星”（DMSP）觀測和銥衛(wèi)星搭載的臺(tái)風(fēng)工程磁力計(jì)開展的“主動(dòng)磁層與行星電動(dòng)力學(xué)響應(yīng)實(shí)驗(yàn)”（AMPERE）獲取的全球場向電流分布數(shù)據(jù)，結(jié)合中科院國家空間科學(xué)中心的或颶三維磁流體力學(xué)模擬，獲得以上發(fā)現(xiàn)。現(xiàn)象該成果將提升人們對太陽風(fēng)-磁層-電離層耦合過程的命名系統(tǒng)認(rèn)知。論文以"A Space Hurricane over the Earth's Polar Ionosphere"（地球極區(qū)電離層上空的太空臺(tái)風(fēng)太空臺(tái)風(fēng)）為題，山東大學(xué)為論文第一和通訊作者單位，科學(xué)寧波外圍（外圍女）外圍上門（電話微信189-4469-7302）全國1-2線熱門城市快速安排90分鐘到達(dá)張清和為第一和通訊作者，家首美國約翰霍普金斯大學(xué)應(yīng)用物理實(shí)驗(yàn)室張永良研究員、次地磁層中科院空間中心王赤研究員團(tuán)隊(duì)等作出重要貢獻(xiàn)。
臺(tái)風(fēng)或颶風(fēng)是發(fā)生在低層大氣中的強(qiáng)烈熱帶氣旋，往往伴隨有狂風(fēng)暴雨，給人類帶來巨大生命或財(cái)產(chǎn)損失，甚至是災(zāi)難。那么在地球或其他行星的高層大氣中是否存在類似臺(tái)風(fēng)或颶風(fēng)的現(xiàn)象呢？這一直是科學(xué)家們好奇與尋覓的難點(diǎn)課題之一。與低層大氣的中性粒子環(huán)境不同，高層大氣（磁層和電離層）屬等離子體（帶電粒子）環(huán)境，若存在類似臺(tái)風(fēng)或颶風(fēng)的現(xiàn)象，將預(yù)示著在該情況下日地能量耦合過程的效率會(huì)大大提高。然而，由于高層大氣空間浩大、環(huán)境惡劣致使該區(qū)域內(nèi)觀測相當(dāng)缺乏，人們也一直沒有在高層大氣中發(fā)現(xiàn)類似臺(tái)風(fēng)或颶風(fēng)的蜘絲馬跡。
針對這一科學(xué)挑戰(zhàn)，近年來張清和教授帶領(lǐng)團(tuán)隊(duì)與國內(nèi)外研究者合作，利用系列先進(jìn)的觀測設(shè)備或裝置和計(jì)算機(jī)數(shù)值模擬，展開了系統(tǒng)性的研究工作。這些裝置和模擬包括月球軌道衛(wèi)星、電離層衛(wèi)星和我國南北極地面臺(tái)站的觀測，以及中科院空間中心對相關(guān)事件的高時(shí)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。
該團(tuán)隊(duì)發(fā)現(xiàn)，2014年8月20日，在一次長時(shí)間的地磁極端平靜條件下，地球北極磁極點(diǎn)附近發(fā)生了一類類似于臺(tái)風(fēng)氣旋狀的水平尺度超過1000公里的極光亮斑結(jié)構(gòu)，亮度比極光橢圓內(nèi)的極光亮得多，這是一個(gè)非同尋常的現(xiàn)象，因?yàn)橥ǔＧ闆r下磁極點(diǎn)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)。該結(jié)構(gòu)持續(xù)近8小時(shí)，并伴隨有明顯的強(qiáng)的亮斑狀上行場向電流、強(qiáng)等離子體對流渦旋剪切（中心處速度接近為0，“臺(tái)風(fēng)眼”）、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)（預(yù)示著存在磁通管結(jié)構(gòu)）、電子的倒V型加速（中心附近能量可達(dá)10 keV以上）、堪比超級磁暴的電子沉降能通量等。這些特征與臺(tái)風(fēng)或颶風(fēng)十分相似，基于此，該團(tuán)隊(duì)將這一現(xiàn)象命名為“太空臺(tái)風(fēng)”。
經(jīng)觀測與模擬對比分析發(fā)現(xiàn)：在這段長時(shí)間極端平靜期內(nèi)，發(fā)生在地球高緯度磁層頂?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(diǎn)上方的電離層與磁層形成了一個(gè)巨大的順時(shí)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)-磁層能量耦合的效率。同時(shí)，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(yùn)行等。
該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(dòng)時(shí)的局地劇烈地磁擾動(dòng)和能量注入現(xiàn)象，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。
該項(xiàng)研究是在國家自然科學(xué)基金、國家子午工程和國際空間科學(xué)研究所等項(xiàng)目支持下展開的。近年來，張清和教授團(tuán)隊(duì)聚焦極區(qū)電離層-磁層耦合及其空間天氣效應(yīng)等國際熱點(diǎn)和難點(diǎn)科學(xué)問題開展了系統(tǒng)性的研究工作，取得了系列研究成果，先后有等離子體云塊和跨極蓋極光弧等方面的工作發(fā)表于Science [Science, 339, 1597-1600 (2013)，當(dāng)期亮點(diǎn)]和PNAS[PNAS, 117, 16193-16198 (2020)] 等權(quán)威期刊，并受邀撰寫了美國地球物理學(xué)會(huì)（AGU）書籍關(guān)于高緯電離層不均勻體方面的章節(jié)[AGU Monograph chapter, 16, 285-302 (2020)]等。
相關(guān)論文信息：https://www.nature.com/articles/s41467-021-21459-y
相關(guān)報(bào)道：科學(xué)家首次發(fā)現(xiàn)“太空臺(tái)風(fēng)”
（神秘的地球uux.cn報(bào)道）據(jù)中國科學(xué)報(bào)（甘曉）：2月22日，《自然—通訊》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(duì)的最新研究成果，并被《自然》選為研究亮點(diǎn)。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(tái)風(fēng)或颶風(fēng)的現(xiàn)象，將其命名為“太空臺(tái)風(fēng)”，并揭示了其形成機(jī)制。
低層大氣中發(fā)生的強(qiáng)烈熱帶氣旋被稱為臺(tái)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，是否也存在類似現(xiàn)象？
近年來，張清和帶領(lǐng)團(tuán)隊(duì)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(jì)算機(jī)數(shù)值模擬，展開了系統(tǒng)研究。
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(shí)，正處于一次長時(shí)間的地磁極端平靜條件下，地球北極磁極點(diǎn)附近出現(xiàn)類似于臺(tái)風(fēng)氣旋狀的極光亮斑結(jié)構(gòu)，其水平尺度超過1000公里。
通過更為全面地觀測數(shù)據(jù)以及對該結(jié)構(gòu)特點(diǎn)的分析，研究人員認(rèn)為，其與臺(tái)風(fēng)或颶風(fēng)的特征非常類似，包括中心處“臺(tái)風(fēng)眼”的等離子體速度接近為0、磁場存在圓形擾動(dòng)等。因此，他們將這一從未觀察到的新現(xiàn)象命名為“太空臺(tái)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(tái)風(fēng)”形成的機(jī)制。這一長時(shí)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(diǎn)上方的電離層與磁層形成了一個(gè)巨大的順時(shí)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(shí)，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)的無線通信導(dǎo)航與定位、超視距雷達(dá)探測和衛(wèi)星的正常運(yùn)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(dòng)時(shí)的局地劇烈地磁擾動(dòng)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。
相關(guān)論文信息：https://doi.org/10.1038/s41467-021-21459-y