近日，空间科学攀登团队电离层—磁层耦合课题组，在极盖区等离子体云块形成机制研究方面取得新进展，成果以“Do the Throat Auroras Create Polar Cap Patches？（喉区极光是否能产生等离子体云块？）”为题在Geophysical Research Letters（GRL）在线发表（Zhang Duan, et al., 2023，JCR和中科院1区）。课题组博士研究生张端为第一作者，课题组长张清和教授为论文通讯作者，挪威卑尔根大学教授Kjellmar Oksavik等作出重要贡献。
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且垂直进出，因而，极区电离层是日地能量耦合过程中关键区域之一。太阳风-磁层-电离层耦合过程使得极区电离层存在众多的不均匀体结构及现象，这些结构与现象的形成机制和演化特征及其在磁层-电离层耦合过程中的作用等均是重要的学科前沿科学与应用问题。其中，极盖区等离子体云块是一种位于极区电离层的高密度等离子体不均匀体，其形成和演化过程能给人类的通讯、导航、电力设施和航天系统等造成很大的危害。喉区极光则是一种位于磁正午附近南北向排列的特殊分立极光结构，其形成和演化伴随有粒子沉降、焦耳加热和离子上行。等离子体云块和喉区极光都是极区电离层的常见现象，但是它们之间的关联尚不清楚，深入研究两者的关联性有助于深入理解磁层－电离层耦合过程，也十分有利于空间天气建模和预报。
针对这一科学问题，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开展了系列研究工作，并联合中电22所在2018年成功申请到了欧洲非相干散射雷达(EISCAT)的60个观测机时。通过专门设计EISCAT实验观测模式，联合我国北极黄河站全天空成像仪(YRS ASI)及美国国防气象卫星(DMSP)和欧洲Swarm卫星等的协同观测，首次找到等离子体云块和喉区极光的密切关联。
图1:（a）实验会战仪器观测范围及DMSP F17极光观测。（b-c）0831 UT黄河站红光和绿光波段极光观测。（d-e）DMSP F17电子和离子能量通量观测。
图2. (a)0831UT黄河站红光波段极光观测。（b-c）从面板a的红色框中获得的红光和绿光波段发射强度的Keograms。
图3. (a-d)ESR 32m等离子体参数观测，正速度远离雷达。(e-f)黄河站红光波段观测与ESR 32m电子密度观测叠加。
在实验中，课题组成功地在2018年12月6日0800-0840UT同时观测到了喉区极光和极盖区等离子体云块；发现喉区极光伴随明显的软电子沉降（如图1所示），其红光波段发射强度与日侧重联率基本保持一致，说明喉区极光与日侧磁重联密切相关。在径向行星际磁场（IMF Bx主导）条件下，随着喉区极光在极盖区边界附近逐渐消失，其极向末端连接了极向运动的等离子体云块（如图2、3所示）。针对这些观测结果，该课题组提出了一个喉区极光产生云块的可能机制：喉区极光内部存在很多精细结构，其会携带着由沉降产生的高密等离子体从亚极光带区域通过增强的对流不断地向极盖区输运，进而形成云块。该结果将喉区极光和等离子体云块联系起来，也表明与喉区极光相关的磁重联事件可以作为径向行星际磁场条件下极盖区等离子体云块的诱发机制。这一工作深入理解了喉区极光在云块形成过程中重要影响，十分有利于极区电离层建模和空间天气建模预报。
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://doi.org/10.1029/2022GL102263
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