［本站讯］近日，山东大学“太阳爆发及其对行星空间环境的影响”攀登团队联合国内外多个单位科研人员，利用包括我国嫦娥三号在内的多颗卫星观测数据，首次观测到地球等离子体层中存在月球潮汐信号，并发现其特征与成因显著区别于大气、海洋等区域的潮汐。相关研究成果发表在《自然-物理》（Nature Physics）上。论文第一作者是山东大学重点资助类博士后肖超和中科院地质与地球物理研究所研究员何飞，通讯作者是山东大学空间科学研究院磁层和太阳风相互作用课题组长、教授史全岐与北京航空航天大学教授刘文龙，校内合作者还有副教授田安民、教授郭瑞龙、教授Alexadner Degeling和副研究员王慧姿。
图1.海洋潮汐（蓝色部分）与等离子层顶潮汐（橙色部分）对比
作为地球唯一的天然卫星，月球对地球生态环境以及人类活动都有重要影响，千百年来月球本身和地月相互作用等问题一直受到人们的广泛关注。月球对地球最直接的影响就是潮汐效应，其中最具代表性的是海洋潮汐，除此之外，人们在地壳、大气和电离层等不同高度区域都频繁观测到月球潮汐现象。以上这些区域中的物质以固、液、气三态为主导，其中的月潮特征是由月球引力直接导致的，且大都以半日和半月周期变化为主。以海洋潮汐为例，如图1中地球表面附近的蓝色部分所示，两个高潮分别出现在月球地方时的正午和午夜侧，即地月连线附近，两个低潮则分别出现在月球地方时的晨昏侧即垂直于地月连线附近。然而，在更为广袤的地球磁层中，物质以稀薄的第四态——等离子体形态存在，其中的引力作用往往因其远小于电磁力而被忽略，人们还不清楚那里是否存在月球潮汐信号。
图2.等离子体层顶潮汐信号的直接观测证据
空间科学攀登团队最新研究成果通过分析国内外近40年来十余颗卫星（包括中国嫦娥三号、美国THEMIS以及欧洲Cluster等）穿越地球磁层“冷等离子体海洋”（即等离子体层）的数据，首次发现等离子体层顶（即等离子体层的外边界）的位置存在清晰的月潮变化。潮汐导致的等离子体层顶高度的变化可达800km，其特性显著区别于绝大部分低高度（如地壳、海洋和大气等）潮汐信号。如图2所示，（a）等离子层顶的扰动幅度（∆LPP，单位为地球半径RE，1RE=6371公里）随月相（LP）和磁地方时（MLT）的变化情况，（b）将不同月相下的归一化的扰动等离子层顶位置转换到月球地方时（LLT）的结果，可以清晰看到等离子体层月潮存在全日周期和全月周期，且高潮只有一个并出现在月球地方时的昏侧（LLT=18点）附近，其相位领先月球约90度，对应的低潮也只有一个且出现在月球地方时的晨侧（LLT=6点）附近。
该研究成果还进一步讨论了等离子体层月潮的形成机制。等离子体层顶的位置主要受到磁层径向电场的影响和调制，作者通过分析电场观测数据，发现径向电场也显示出了全日和全月周期的潮汐变化，并与等离子体层顶的潮汐信号相对应。以上结果表明等离子体层顶高度的潮汐变化可能是由电场的潮汐变化引起的，该形成机制也被两种等离子体层顶模型所检验。这表明，引力和电磁力的共同作用，导致了等离子层顶潮汐信号特征显著区别于近地面区域仅由引力引起的潮汐信号。
这一新成果更新了我们对潮汐现象的认知，也表明月球对近地空间环境的作用比以前人们设想的更为重要，拓展了我们对地月系统相互作用的理解，并有助于进一步研究其他行星系统中卫星和行星的相互作用过程。
该研究成果得到了由国家自然科学基金委杰青项目、优青项目、面上项目、国际合作项目、创新研究群体项目、国家重点实验室开放课题、英国皇家学会牛顿高级学者等基金、山东大学攀登计划创新团队经费以及中央高校基本科研业务费支持。山东大学空间科学研究院磁层和太阳风相互作用课题组常年聚焦地月及其他行星系统的空间环境，一直注重国际合作，近年来取得了一系列进展，在Nature Physics、Nature communications和Space Science Reviews等业内权威杂志发表论文百余篇，成员获得多个重要的国内、国际奖项。团队近年来组建了空间粒子辐射探测实验室，致力于通过自研仪器获得一手探测数据，并据此发掘原创性成果，同时努力承担相关国家任务，力争在空间辐射环境的预警和防护方面为我国地球和深空探测活动作出贡献。
文章发表链接：https://www.nature.com/articles/s41567-022-01882-8
