編者語(yǔ)

2023年是收獲的一年，子午工程勇于創(chuàng)新、積極作為，有效服務(wù)于前沿科學(xué)研究和國(guó)家重大戰(zhàn)略需求，運(yùn)行成效顯著，成果產(chǎn)出豐碩。為了更好地展示工程創(chuàng)新成果，“子午風(fēng)云”微信公眾號(hào)將繼續(xù)推出成果報(bào)道篇，期待子午工程團(tuán)隊(duì)繼續(xù)砥礪奮發(fā)、開(kāi)拓創(chuàng)新，未來(lái)在科技創(chuàng)新征程中貢獻(xiàn)更大的力量。

本期摘要

【子午工程山東大學(xué)團(tuán)隊(duì)，利用子午工程多臺(tái)地基觀測(cè)設(shè)備及PPMLR-MHD數(shù)值模型，對(duì)極蓋區(qū)不均勻體結(jié)構(gòu)的形成與演化過(guò)程進(jìn)行了系列研究。研究發(fā)現(xiàn)了地球磁層近乎完全閉合事件（學(xué)界已知磁層開(kāi)放磁通量最小的事件）、提出了喉區(qū)極光產(chǎn)生極蓋區(qū)等離子體云塊的機(jī)制、揭示了冷熱云塊轉(zhuǎn)變的物理機(jī)理。相關(guān)成果分別發(fā)表于學(xué)科權(quán)威期刊：《Communications Earth & Environment》，《Geophysical Research Letters》，《JGR: Space Physics》。第一作者分別為博士生王翔宇、張端，博士后馬羽璋，通訊作者均為張清和教授，該成果被評(píng)選為子午工程2023年度優(yōu)秀成果。】

“小樓一夜聽(tīng)春雨，深巷明朝賣(mài)杏花”。風(fēng)云變換、冷熱交替、日夜輪轉(zhuǎn)、四時(shí)更迭，低層大氣的天氣和氣候時(shí)至今日仍然深刻影響著人們的生產(chǎn)生活。而隨著人類(lèi)的探索范圍逐漸走向更高遠(yuǎn)的星辰大海，宇宙空間中的天氣變化對(duì)人類(lèi)活動(dòng)的影響已不可忽略。

地球極地區(qū)域是開(kāi)向太空的天然窗口，是空間天氣變化最直觀、最活躍的關(guān)鍵區(qū)域之一。在這里來(lái)自太陽(yáng)風(fēng)的高能帶電粒子能如落雨一般沉降至極區(qū)電離層激發(fā)絢爛極光；太陽(yáng)風(fēng)與地球磁層相互作用也會(huì)驅(qū)動(dòng)極區(qū)高層大氣高速對(duì)流，使得極區(qū)電離層的等離子體時(shí)而匯聚成云，時(shí)而消融于背景空間中。這些與背景相比特征突出（主要是密度與背景不一致）的結(jié)構(gòu)被稱(chēng)為不均勻體結(jié)構(gòu)。這些不均勻體結(jié)構(gòu)由于其顯著的密度差異或電磁特性，會(huì)對(duì)人類(lèi)的通訊、導(dǎo)航、電力設(shè)施及航天系統(tǒng)等產(chǎn)生顯著的影響，甚至?xí){人類(lèi)生命財(cái)產(chǎn)安全。

因此，厘清極區(qū)電離層不均勻體的形成機(jī)理和演化特征及其相關(guān)的日地能量耦合過(guò)程，可以進(jìn)一步加深人類(lèi)對(duì)空間天氣的認(rèn)知，有助于空間天氣建模、預(yù)報(bào)，使空間天氣更好地服務(wù)于人們?nèi)粘Ｉa(chǎn)生活。

子午工程團(tuán)隊(duì)成員，山東大學(xué)“太陽(yáng)爆發(fā)及其對(duì)行星空間環(huán)境的影響”攀登計(jì)劃創(chuàng)新團(tuán)隊(duì)中的極區(qū)電離層-磁層耦合課題組，基于子午工程中山站高頻雷達(dá)所屬的南北極SuperDARN雷達(dá)網(wǎng)、黃河站極光全天空成像儀等設(shè)備觀測(cè)數(shù)據(jù)，并結(jié)合空間中心的PPMLR-MHD高分辨率磁流體動(dòng)力學(xué)模擬結(jié)果，系統(tǒng)研究了兩類(lèi)典型極區(qū)電離層不均勻體的形成機(jī)理和演化特征。

研究結(jié)果發(fā)現(xiàn)：（1）在行星際磁場(chǎng)（IMF）長(zhǎng)時(shí)間的強(qiáng)北向條件下，因太陽(yáng)風(fēng)-磁層相互作用而使得極光橢圓帶內(nèi)邊界急劇向高緯收縮，進(jìn)而合并，形成“馬軛型”極光并致使極蓋區(qū)近乎消失，預(yù)示著地球磁層近乎閉合（地球磁層開(kāi)放磁力線幾乎被剝蝕殆盡，形成準(zhǔn)偶極磁層，磁尾僅有28個(gè)地球半徑，圖1）；（2）出現(xiàn)在亞極光帶區(qū)域的喉區(qū)極光，內(nèi)部存在的眾多精細(xì)結(jié)構(gòu)在不斷向高緯運(yùn)動(dòng)，故而，其伴隨的粒子沉降產(chǎn)生的高密等離子體便從亞極光帶向極光帶和極蓋區(qū)輸運(yùn)，進(jìn)而形成等離子體云塊（等離子體云塊形成新機(jī)制，圖2）；（3）因日側(cè)磁層頂磁場(chǎng)重聯(lián)而形成的極向運(yùn)動(dòng)極光結(jié)構(gòu)及其伴隨的粒子沉降會(huì)局部加熱相應(yīng)區(qū)域的高密度等離子體云塊，形成熱等離子體云塊，而后熱等離子體云塊被對(duì)流輸運(yùn)進(jìn)入極蓋區(qū)，其電子溫度由于粒子沉降減少而降低，逐漸轉(zhuǎn)變?yōu)槔涞入x子體云塊（圖3）。

這些研究成果不僅有助于我們深入理解不同太陽(yáng)風(fēng)與行星際磁場(chǎng)條件下的極區(qū)動(dòng)力學(xué)過(guò)程，為極區(qū)空間天氣建模和預(yù)報(bào)提供物理依據(jù)，同時(shí)也很好地展示了子午工程多臺(tái)站、多設(shè)備、全球化的協(xié)同監(jiān)測(cè)能力，表明其具備極大的服務(wù)空間天氣研究、建模和預(yù)報(bào)的科學(xué)價(jià)值與應(yīng)用前景。

圖1  強(qiáng)北向IMF條件下磁層異常收縮與重塑

圖2  喉區(qū)極光誘發(fā)等離子體云塊的新機(jī)制

圖3  冷、熱等離子體云塊的形成與演化過(guò)程

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1.https://doi.org/10.1038/s43247-023-00700-0

2.https://doi.org/10.1029/2022GL102263

3.https://doi.org/10.1029/2022JA031166