400年前，伽利略以羅馬神話中曙光女神名字「歐若拉」命名極光。一直以來，科學家對這一發生在地球南北極地區高空奇特現象的原因充滿了好奇。
北京時間6月30日凌晨3點，《美國科學院院刊》 （PNAS）在線發表了山東大學空間科學研究院教授張清和領導的國際團隊的最新研究論文。
這項研究利用衛星和我國南極中山站地基觀測，結合中科院國家空間科學中心的三維磁流體力學模擬，首次揭開了發生在地球南北極的「跨極蓋多重極光弧」的神秘面紗，提出了新的形成機制，將提升人們對極光弧形成的認知。
我國南極中山站拍攝的多重極光弧照片（邢讚揚攝）
「跨極蓋極光弧」是發生在地球南北極高緯地區（極蓋區）的一類弧狀極光現象，該極光弧經常橫跨整個極區連接日側和夜側極光帶，尺度達數千公裡。
有時在整個極蓋區僅出現一條跨極蓋極光弧，因其與極光橢圓一起構成形狀如橫寫的希臘字母「θ」而被稱為Theta極光。有時極蓋區會出現多條跨極蓋極光弧，就被稱為跨極蓋多重極光弧。
張清和向《中國科學報》介紹，一般而言，極光不在極蓋區發生，而在極光橢圓內，極蓋區沒有極光或極光很弱。「但跨極蓋極光弧會橫跨整個極蓋區，寬度較窄、長度很長，通常在地磁平靜期出現。」
由於磁層、電離層空間的浩大與極區惡劣的自然環境致使觀測的缺乏，跨極蓋極光弧，尤其是跨極蓋多重極光弧的形成機理至今仍不清楚。
針對這一科學問題，近年來張清和帶領團隊與國內外研究者合作，利用系列先進的觀測設備、裝置和計算機數值模擬，展開系統研究。
這些裝置包括磁層月球軌道衛星、電離層衛星和我國南北極地面臺站的觀測，以及中科院空間中心對相關事件的高時空解析度三維太陽風-磁層-電離層耦合磁流體力學模擬。
該團隊發現，2017年9月7日，在一次地磁平靜期內，在南極上空的極蓋區內出現了多達6條以上的明亮的跨極蓋極光弧現象。
經觀測與模擬對比分析，研究人員發現，這一平靜期內，較強的太陽風與磁層相互作用在磁層邊界層以及磁尾內部形成了多條拉伸的對流剪切片，進而在地球的磁尾產生多條拉長的場向電流片（長達幾十甚至上百個地球半徑），這些電流片能有效的加速局地的電子，使這些電子沉降到極區電離層進而形成了跨極蓋多重極光弧。
DMSP衛星與我國南極中山站極光觀測圖像。圖像被投影在地磁與磁地方時坐標系中，是從南極上空往下看的效果。（課題組供圖）
同時，該團隊還發現這類因發生在磁層的對流剪切而形成極光弧的機制可能對極區所有極光弧的形成都普遍適用，這揭開了極光弧形成的神秘面紗。
該事件期間，中科院空間中心三維磁流體力學模擬的場向電流在磁層磁赤道面內的分布及其沿磁力線在南極電離層的投影。（課題組供圖）
該研究受到國家自然科學基金、國家子午工程和國際空間科學研究所（北京，ISSI-BJ）等項目支持。山東大學為論文第一和通訊作者單位，張清和為第一和通訊作者，美國約翰霍普金斯大學應用物理實驗室研究員張永良、中科院空間中心研究員王赤團隊等作出重要貢獻。
作者：甘曉
本文來自：中國科學報