科學(xué)家首次在地球極區(qū)電離層與磁層發(fā)現(xiàn)類似臺風(fēng)或颶風(fēng)的現(xiàn)象 命名為“太空臺風(fēng)”
（神秘的地球uux.cn報道）據(jù)山東大學(xué)（作者：杜猛）：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)“太陽爆發(fā)及其對行星空間環(huán)境的科學(xué)影響”攀登計劃創(chuàng)新團隊、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分鐘到達國際團隊最新研究成果，并被《自然》（Nature）選為研究亮點。次地磁層該項研究成果首次在地球極區(qū)電離層與磁層發(fā)現(xiàn)了類似臺風(fēng)或颶風(fēng)的球極區(qū)電現(xiàn)象，并將其命名為“太空臺風(fēng)（Space hurricane）”，離層類揭示了其形成機制。發(fā)現(xiàn)風(fēng)
該項研究利用美國“國防氣象衛(wèi)星”（DMSP）觀測和銥衛(wèi)星搭載的臺風(fēng)工程磁力計開展的“主動磁層與行星電動力學(xué)響應(yīng)實驗”（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風(fēng)太空臺風(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)用物理實驗室張永良研究員、次地磁層中科院空間中心王赤研究員團隊等作出重要貢獻。
臺風(fēng)或颶風(fēng)是發(fā)生在低層大氣中的強烈熱帶氣旋，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)觀測相當缺乏，人們也一直沒有在高層大氣中發(fā)現(xiàn)類似臺風(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)團隊與國內(nèi)外研究者合作，利用系列先進的觀測設(shè)備或裝置和計算機數(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站的觀測，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。
該團隊發(fā)現(xiàn)，2014年8月20日，在一次長時間的地磁極端平靜條件下，地球北極磁極點附近發(fā)生了一類類似于臺風(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，這是一個非同尋常的現(xiàn)象，因為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)。該結(jié)構(gòu)持續(xù)近8小時，并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（中心處速度接近為0，“臺風(fēng)眼”）、離子上行、局部電子溫度上升1000K 以上、先負后正的雙極磁場結(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。這些特征與臺風(fēng)或颶風(fēng)十分相似，基于此，該團隊將這一現(xiàn)象命名為“太空臺風(fēng)”。
經(jīng)觀測與模擬對比分析發(fā)現(xiàn)：在這段長時間極端平靜期內(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，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、超視距雷達探測和衛(wèi)星的正常運行等。
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時的局地劇烈地磁擾動和能量注入現(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識。
該項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)研究所等項目支持下展開的。近年來，張清和教授團隊聚焦極區(qū)電離層-磁層耦合及其空間天氣效應(yīng)等國際熱點和難點科學(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)，當期亮點]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（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)報道：科學(xué)家首次發(fā)現(xiàn)“太空臺風(fēng)”
（神秘的地球uux.cn報道）據(jù)中國科學(xué)報（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)的國際團隊的最新研究成果，并被《自然》選為研究亮點。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，將其命名為“太空臺風(fēng)”，并揭示了其形成機制。
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，是否也存在類似現(xiàn)象？
近年來，張清和帶領(lǐng)團隊與國內(nèi)外研究者合作，利用系列先進的觀測設(shè)備或裝置以及計算機數(shù)值模擬，展開了系統(tǒng)研究。
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。
通過更為全面地觀測數(shù)據(jù)以及對該結(jié)構(gòu)特點的分析，研究人員認為，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、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)的無線通信導(dǎo)航與定位、超視距雷達探測和衛(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識。
相關(guān)論文信息：https://doi.org/10.1038/s41467-021-21459-y
作者:探索
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