我国科学家对极区电离层“等离子体云块”的形成和演化过程研究取得重大突破

3月29日，最新一期的《科学》(Science)杂志将中国极地研究张清和博士等在极区电离层“等离子体云块”的形成和演化过程的重要成果作为当期亮点刊登（Direct Observations of the Evolution of Polar Cap Ionization Patches, Sciecne,2013; 339 (6127): 1597-1600, Issue Highlights）。该论文由国家自然科学基金（项目批准号：41274149, 41104091,41031064, 40890164）等项目资助，首次直接观测到了一次强磁暴袭扰地球期间，极区电离层“等离子体云块”的完整演化过程，并揭示了“磁重联”在云块形成和演化过程中的重要调制作用。

太阳不仅照亮整个太阳系，还时时刻刻朝四面八方喷射高速等离子体，这就是“太阳风”。由于极区是地球开向太空的天然窗口，地球磁力线在极区高度汇聚并几近垂直向太空开放，太阳风与地球磁层相互作用会在极区高层大气引起众多的物理现象，其中“等离子体云块”最为常见。尺度从几百到几千公里不等的“等离子体云块”常常引起极端空间天气环境，使得人类的超视距无线通讯和卫星－地面间的通讯中断，直接影响近地飞行器（飞机、宇宙飞船等）和低轨卫星等的正常运行及其与地面通讯，甚至威胁到航天员的生命安全。研究极区电离层“等离子体云块”如何形成和演化是国际空间天气领域中最重要的课题之一。理论上，极区“等离子体云块”在日侧极光带赤道侧附近产生，并沿极区电离层对流线向极盖区（地球南北极开放磁力线区域）运动，最后从夜侧流出极盖区。整个演化过程中“等离子体云块”内带电粒子因与周围相反极性带电粒子复合而密度逐渐减小。然而，由于极区的恶劣自然环境和观测数据的缺乏，这些“等离子体云块”如何形成和演化，尤其是在恶劣空间天气环境下如何形成和演化，一直是困扰国际空间天气和通讯导航等领域科学家的一大难题。

由中国极地研究中心主导的国际合作团队分析研究了多年的多手段观测数据，并从中挑选出了200多个灾害性空间天气事件进行深入分析，同时开展相应的计算机模拟实验。利用国际超级双子极光雷达网（SuperDARN）和全球定位系统（GPS）地面接收机的联合观测数据，这一团队首次直接观测到2011年9月26日一次强磁暴袭扰地球期间，极区电离层“等离子体云块”的完整演化过程。经过进一步的理论研究，首次发现“夜侧磁重联”（当两条磁极方向相反的磁力线无限接近时，两条磁力线分别断开并“重新联结”的物理过程称之为磁重联）在等离子体云块演化过程中扮演着重要的“开关”角色。当夜侧磁重联发生时，携带云块运动的开放磁力线因重联而闭合，相当于开关打开，云块可以从重联X线在电离层投影处流出极盖区，并沿着晨昏两侧对流线向日侧演化，演化过程中密度逐渐减小，进而破碎成斑块，并逐渐沿对流线形成低密度带，当低密度带与“舌状”电离区（地球大气中性成分受太阳光的照射而被电离产生的等离子体受地球自转和电离层对流的影响而被“甩”成一个“舌状”的窄带，该窄带从磁正午附近伸进极盖区）相遇后，会通过改变局地等离子体环境，而将“舌状”电离区“撞断”形成一块新的等离子体云块。当夜侧磁重联停止时，开关关闭，云块只能在极盖区内沿对流线和通过极盖区的膨胀而向日侧演化。这一成果将更新人们对“等离子体云块”的形成和演化的认识，将为极区电离层建模和空间天气预报提供重要物理依据。

该研究是中国极地研究中心在多年极区电离层研究基础上的重大突破。自上世纪九十年代开始，该中心便一直致力于极区电离层和极光研究，形成了一支具有国际学术水平的研究团队，并在我国南极中山站和北极黄河站建设了多要素的、世界先进水平的高空大气物理地磁共轭观测系统（几乎处在地球磁场的同一条磁力线的南北两端）。近年来，在国家重大科技设施项目子午工程和极地考察十五能力建设项目的资助下，我国在南极中山站成功架设了高频相干散射雷达并加盟SuperDARN国际组织，观测能力得到极大地加强。通过充分开展国际合作与交流，该中心取得了上述重要突破。