［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”攀登计划创新团队电离层—磁层耦合课题组在极光研究方面取得新进展，揭示了“马轭型”极光（Horse-collar Aurora）的形成与演化机理，并指出该类极光内边界的合并致使极盖区消失预示着磁层收缩到异常的小且近乎闭合。该成果于2月13日以“强北向行星际磁场条件下地球磁层的异常收缩与重塑”（Unusual shrinkage and reshaping of Earth’s magnetosphere under a strong northward interplanetary magnetic field）为题在线发表在《通讯·地球与环境（Communications Earth & Environment）》上。山东大学为论文第一和通讯作者单位，博士研究生王翔宇为第一作者，电离层—磁层耦合课题组组长张清和教授为通讯作者，中科院空间中心王赤院士团队和美国约翰霍普金斯大学张永良研究员等作出重要贡献。
图1. 极光椭圆带和“马轭型”极光示意与观测图：a. 美国NOAA极光预报模型预测的极光椭圆带示意图，b. “马轭型”极光示意图（Hones et al. 1989），c和d. “马轭型”极光的卫星与地面观测图（Hosokawa et al., 2020）。
极光是发生在南北两极的自然发光现象，主要由来自太阳的高能带电粒子和地球磁层相互作用后侵入并撞击南北两极的高层大气而形成。极光通常在南北两极呈椭圆带状分布并随地磁活动强弱变化而时刻发生着变化，统计来说极光主要分布在地磁60°-75°的一个椭圆带状区域内（如图1所示）。椭圆带的内边界以内的区域被称之为极盖区，该区域内地球的磁力线是对外开放的。当行星际磁场长时间北向时（平静地磁活动），因太阳风—磁层相互作用，极光椭圆带会整体向高纬做一定的收缩，其内边界会从晨昏两侧进一步向高纬移动，形成“马轭型”极光（如图1所示）。当“马轭型”极光的内边界进一步向高纬移动并合并时，极盖区便近乎消失了。“马轭型”极光的形成和演化会直接影响极地区域的通信导航与遥感探测等，然而，如何厘清其形成和演化机理以及其所体现的太阳风—磁层相互作用的具体过程、如何开展有效建模预报？仍是困扰学术界的一大难题。
针对这些科学问题，山东大学空间科学研究院电离层—磁层耦合课题组与国内外研究者合作，利用系列先进的观测设备或装置和计算机数值模拟，展开了系统研究。这些装置和模拟包括电离层卫星、磁层卫星和含我国子午工程南极中山站高频雷达在内的超级双子极光雷达网（SuperDARN雷达网）的观测，以及中科院空间中心对相关事件的高时空分辨率三维太阳风—磁层—电离层耦合磁流体力学模拟。
图2. DMSP卫星观测到的“马轭型”极光演化与合并过程及相关时段的就位等离子体数据。
图3. PPMLR-MHD模型模拟的“马轭型”极光的形成和演化及合并过程所对应太阳风-磁层相互作用过程及其示意图。a, c, e为模拟结果，b, d, f 为示意图。
该课题组发现，2015年4月10日美国国防气象卫星（DMSP）搭载的极光成像仪在南北两极上空几乎同时观测到一次清晰的“马轭型”极光的形成和演化直至合并的全过程（如图2所示）。该过程致使南北两极的极盖区近乎消失，导致大部分极地区域均伴有较强的能量离子沉降，可大范围影响相关区域的通信导航等高技术活动。
为弄清这一现象背后的机理，该课题组与中科院空间中心王赤院士团队合作，利用该团队的高分辨率磁流体力学模型（PPMLR-MHD）模拟了该现象的全过程。结果显示：在长时间强北向IMF条件下，较为稳定的双尾瓣重联（dual-lobe reconnection）持续剥蚀地球磁尾开放乃至闭合磁力线，并在向阳面形成闭合磁力线；这些磁力线捕获太阳风带电粒子从晨昏两侧对流回磁尾，形成了晨昏两侧的冷而密等离子体片（CDPS）和一个磁尾仅有28Re的近乎完全闭合的偶极场磁层；这一对流过程中的对流剪切形成的场向电流加速局地带电粒子沉降到极区电离层，形成了“马轭型”极光及其合并致极盖区消失现象。
该研究表明，在长时间强北向行星际磁场条件下，磁层中的开放通量有可能大范围闭合，会形成一个近乎完全闭合的准偶极场磁层和导致极区大范围出现极光与粒子沉降，大大提升航天器暴露在太阳风中的风险和降低极区通信导航质量等。这一研究不仅更新了人们对平静地磁活动条件下太阳风-磁层相互作用的认识，而且为极区电离层建模预报提供了重要科学支撑。
近年来，空间科学攀登团队电离层—磁层耦合课题组积极参与子午工程等国家重大任务，聚焦极区电离层-磁层耦合及其空间天气效应等前沿科学问题，取得了系列研究成果，先后在Science、Nature Physics、PNAS、Nature Communications、GRL、JGR等上发表学术论文100余篇，多篇被选为Science, Nature和JGR的研究亮点或封面，并受邀撰写美国地球物理学会（AGU）专著章节2篇等。该项研究得到国家自然科学基金和子午工程等项目资助。
文章链接：https://www.nature.com/articles/s43247-023-00700-0
