研究發現極光邊界波動是等離子體層頂表面波的光學表象

2021-01-10 手機光明網

　　太陽風和行星際磁場在驅動地球磁層能量耗散中扮演著決定性角色。當行星際磁場具有南向分量時，太陽風物質和能量就會進入地球磁層，在其中對流，並最終釋放到電離層和高層大氣中，產生絢麗多彩的極光現象。在磁層中傳播的大部分電磁能量由超低頻波（Ultra-low Frequency,ULF,0.1 mHz～10 Hz）攜帶，並能耦合不同的等離子體區域。ULF波在產生準周期性地磁脈動和加速輻射帶高能離子方面具有重要作用。目前廣泛認可的ULF產生方式有兩種：一種是外部太陽風擾動和磁層頂表面波，另一種是內部驅動，如夜側磁層中的等離子體不穩定性。許多極光現象都與磁層中的ULF波動相關，如亞暴膨脹相起始、極光弧、極光強度波動等。由磁層頂表面波激發的ULF波是向內傳播的（指向地球），在磁暴期間能穿透到內磁層，但相反的過程能否發生目前仍未知。

　　地球內磁層的主要部分是等離子體層，它是由繞地球共轉的緻密冷等離子體組成。等離子體層粒子密度隨高度增加以對數趨勢下降，在3–6 RE（1 RE=6378 km，為地球半徑）處出現一個密度銳減的外邊界叫等離子體層頂（Plasmapause）。等離子體層頂將溫度和密度特徵顯著不同的兩種等離子體區分開來，內側是低能高密度冷等離子體，外側是高能低密度的熱等離子體。等離子體層頂外的高能粒子（電子和離子）可以沿磁力線沉降到極區電離層，在地球兩極產生絢麗的極光。由於地球特殊的偶極磁場，兩極的極光形態呈現橢圓環帶結構，通常也稱為極光卵。在平靜條件下，極光卵的赤道邊界通常是平滑的，對應於平滑的等離子體層頂和等離子體片內邊界。在磁暴主相期間，隨著磁層對流電場增強並穿透到內磁層，等離子體層外側的共轉流被剝蝕，形成陡峭的等離子體層頂。基於傳統的磁流體動力學理論，Chen & Hasegawa在1974年就預言當外部壓力脈衝作用在等離子體層頂表面時，會激發等離子體層頂的本徵膜，產生表面波。但是，一直以來並沒有直接的觀測證據，等離子體層頂表面波（Plasmapause Surface Wave，PSW）對磁層動力學的影響也一直不清楚。

　　另一方面，雖然通常情況下極光卵的赤道邊界是平滑的，在磁暴期間也經常在磁地方時下午到夜間時段觀測到極光卵赤道邊界的大幅波動現象。雖然有很多等離子體不穩定性機制用來解釋這些波動，但由於缺乏極光粒子沉降源區的共軛觀測，目前對其成因一直沒有定論。極光邊界和等離子體層頂在空間上處於相鄰的磁通量管，兩者的波動可能存在物理聯繫。

　　中國科學院地質與地球物理研究所地球與行星物理重點實驗室副研究員何飛、堯中華、研究員魏勇，國家衛星氣象中心研究員張效信，北京大學教授濮祖蔭、宗秋剛，山東大學教授史全岐等結合我國完全自主智慧財產權的風雲三號衛星廣角極光成像儀極光圖像、國際衛星遙感和就位探測數據、以及地磁臺站數據（涉及9顆不同軌道衛星和2個地磁臺站系統），首次發現了PSW證據，證明了極光邊界波動（命名為「鋸齒極光（Sawtooth Aurora）」）是PSW的光學表象，並且首次發現PSW激發了向外傳播的ULF波（如圖1所示）。此項工作還發現PSW驅動的鋸齒極光在磁暴期間的發生頻率高於90%，表明這一物理過程是磁暴期間的常態，並且對磁層空間能量輸運具有關鍵影響。

　　風雲三號衛星廣角極光成像儀是目前低軌衛星上視場範圍最大、空間解析度最高的遠紫外波段成像儀（Zhang et al., 2019），2017年12月發射成功後，在2018年各種等級磁暴期間都拍攝到了大量清晰的鋸齒極光圖像（圖2）。研究團隊進一步分析了2014-2018年期間DMSP衛星極光圖像，發現這期間所有Dst小於-40 nT的磁暴主相中，90%以上產生了鋸齒極光。這表明磁暴主相期間，昏側磁層內發生了常態化的、系統性的物理過程。

　　研究團隊進一步利用前期工作中建立的全球等離子體層頂動態模型（He et al., 2017），根據鋸齒極光資料庫，自動搜索和匹配磁層就位探測衛星數據，在2017年7月16日磁暴主相期間，輻射帶探測衛星（VAP-A和VAP-B）穿越等離子體層頂過程中，首次發現了PSW證據（圖3），詳細計算發現PSW和鋸齒極光在空間上共軛，鋸齒波長、傳播速度、傳播方向一致，表明兩者是相互關聯的物理現象。進一步研究表明，PSW調製了等離子體層頂外的電子靜電迴旋諧波（ECH波），後者散射粒子沉降到極區，產生鋸齒極光。相同時間段內，IMAGE地磁臺鏈的共軛觀測表明，地磁場產生了和PSW相同頻率的ULF波動，北向和垂直分量ULF波向高緯傳播（相當於在磁層中從等離子體層頂向外傳播），東西分量ULF則向西傳播（圖4）。這表明是PSW激發了向外傳播的ULF波，並且在傳播過程中還產生了磁力線共振。

　　該項工作的重要意義在於初步釐清了長期以來關於PSW和鋸齒極光的疑問和爭論，發現了磁層內波動能量激發和傳播的新模式，更新了磁層物質和能量輸運圖像。表面波和ULF波的產生是空間環境中基本的等離子體過程，也廣泛存在於其它行星空間環境。在等離子體層頂發現的這些物理過程也可能存在於其他行星磁層中（如木星和土星磁層），這為今後行星空間物理研究工作提供了關鍵的方向指導。

　　研究成果發表於國際學術期刊《自然-通訊》（Nature Communications）。該成果受到中科院A類先導專項（鴻鵠專項，XDA17010201）、國家自然科學基金和中科院青年創新促進會等資助。

　　論文連結

圖1 等離子體層頂表面波和鋸齒極光

圖2 風雲三號衛星廣角極光成像儀觀測到鋸齒極光

圖3 表面波（a、d-f、g-i）和關聯的鋸齒極光（b-c）觀測證據

圖4 地磁臺鏈觀測ULF傳播（a、c-e）和磁力線共振（b）

[ 責編：戰釗 ]

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