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新萄京娱乐场我国空间天气事件能量流动研究取得系列成果

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  3月29日,最新一期的《科学》(Science)杂志将中国极地研究张清和博士等在极区电离层“等离子体云块”的形成和演化过程的重要成果作为当期亮点刊登(Direct
Observations of the Evolution of Polar Cap Ionization Patches, Sciecne,
2013; 339新萄京娱乐场, (6127): 1597-1600, Issue
Highlights)。该论文由国家自然科学基金(41274149, 41104091, 41031064,
40890164)等项目资助,首次直接观测到了一次强磁暴袭扰地球期间,极区电离层“等离子体云块”的完整演化过程,并揭示了“磁重联”在云块形成和演化过程中的重要调制作用。

太阳常年慷慨赠与地球的礼物,除了温暖的、明亮的阳光,还有神秘、危险的太阳风,壮观的极光便是其杰作,飘忽不定,会给人类通讯、导航和供电制造麻烦的极区高空等离子体云块也是它一手造成的。一支由中国极地研究中心主导的国际合作团队,首次揭开了等离子体云块的神秘面纱。国际顶级学术杂志《科学》北京时间3月29日凌晨在线发表了这一研究成果。

空间天气科学“亮剑科学前沿 服务国家需求”系列报道
描绘空间能量路线图
所有空间天气事件背后,都有能量的流动和驱动。本报记者
张双虎
日地空间环境的灾害性天气会给航天、通讯、导航、电网、宇航员健康和空间安全等带来严重威胁和巨大损失。而所有空间天气事件背后都有能量的流动和驱动。因此,研究空间天气事件的能量流动,对理解近地环境和空间天气监测预报十分重要。空间天气事件的背后推手所有空间天气事件背后,都有能量的流动和驱动。中国极地研究中心研究员张北辰对《科学时报》记者说。空间天气事件的源头是太阳,太阳剧烈活动释放电磁能和动能,以光辐射、高能粒子和空间等离子体云等形式先后到达地球附近,通过能量的传输、转换、储存和耗散,引起地球空间环境高动态、短时间尺度的条件变化。在地球附近,来自太阳的电磁辐射和太阳风与地球磁场和地球大气层相互作用,形成了由磁层、电离层和中高层大气组成的相对稳定又紧密耦合的复杂系统,这个系统通常被称为地球空间。当太阳剧烈爆发时,增强的电磁辐射、高能带电粒子流和高速等离子体云将对地球形成三轮攻击,打破地球空间相对稳定宁静的局面,即产生空间天气事件。磁暴期间进入地球空间的能量一方面改变全球热层环流和中性大气成分,对地球电离层电子密度和总电子含量造成显著改变,进而影响电离层电波传播;另一方面,增强的极区极光粒子沉降和极区对流电场,形成极区电离层不均匀体结构和产生电离层闪烁,影响跨极区飞行器的通信导航。中性大气加热改变大气密度和温度分布,会影响卫星轨道和寿命,同时,环电流粒子和粒子能量增强形成的高能粒子影响空间电子设备和人类的空间活动安全。从覆盖区域看,空间天气事件能量流动涉及太阳大气、行星际、地球磁层、电离层和中高层大气所组成的空间区域。张北辰说。细致研究太阳的能量变化,特别是当太阳剧烈爆发时的能量变化及流动路线,有可能推断随后即将发生的空间天气事件。中国极地研究中心研究员刘瑞源对《科学时报》记者说,能量传输和转化过程与空间天气紧密相关,空间天气事件形式多样,在时间顺序上和地域分布上有不同的变化特性,掌握其中最为本质的能量流动路线,有助于理解各种空间天气事件的产生与变化过程。地球的太空之窗极区是地球开向太空的窗户。刘瑞源说,极区高空大气是地球大气层和近地空间最活跃的部分之一,与中低层大气有较强的耦合作用,对全球变化有着灵敏的响应和显著的反馈。研究极区高空大气有助于整体理解太阳风磁层电离层高层大气中低层大气的相互作用和在全球变化中的作用。地球南北两极上空的地磁场近乎垂直进出,太阳风能量粒子进入地球磁层后,可以沿着磁力线沉降到南北极区电离层和中高层大气,产生一系列重要的地球物理现象,如极光、磁暴、磁层亚暴、电离层暴、极盖吸收、西向浪涌及对中层大气加热和电离等,这些空间天气过程在极区最先发生,最为强烈,并逐步向中低纬地区传播。近年来,我国南北极考察的发展,开辟了极区高空大气物理研究新领域。我国在极区电离层、极光和粒子沉降、极区电流体系、极区等离子体对流、地磁脉动和空间等离子体波、极区空间环境的南北极对比、极区电离层磁层数值模拟等方面取得了一系列原创性的研究成果,引起国际同行关注。初步建立能量流动路线图太阳风能量通过磁场重联和类黏滞作用进入磁层,分别以焦耳热和极光粒子沉降进入高纬电离层、增加内磁层环电流和粒子能量、加热磁尾等离子体片粒子,以等离子体热能、动能和磁能形式储存在磁尾,和以等离子体团的形式离开磁尾重新进入下游太阳风。太阳风的能量进入地球磁层后,在磁层内部环电流区、极区高层大气和磁尾区释放能量。环电流区的能量一部分经过部分环电流场向电流和电离层电流构成回路,在极区高层大气中耗散。其余能量通过电荷交换、库伦碰撞、波粒相互作用以及漂移损失等过程消耗。在地球极区上空,能量通过焦耳热和极光粒子沉降耗散。磁尾能量一部分通过磁尾磁重联生成的等离子体团携带至远磁尾,一部分通过加热磁尾粒子耗散。在日地能量传输研究方面,我国学者检验和修正了太阳风磁层能量耦合函数,建立了太阳风磁层电离层耦合等效电流体系。特别是近年来随着观测数据的增加,对环电流能量收支平衡有了新的认识,构建了Dst指数与太阳风动压和AL指数之间的函数关系,改进了Dst指数的预报。通过子午工程和极地考察能力建设,我国建立和完善了极区空间环境地面观测体系。我国南北极空间环境观测,特别是极区高频雷达和极光、地磁台链的建立,实现了由点到面的转变。我国极地空间环境监测与研究在国际学术组织和重大国际合作研究计划中发挥重要作用。我国研究人员在南极研究科学委员会、欧洲非相干散射雷达、国际超级双子极光雷达探测网等组织中担任重要职务,在国际探测和学术团体中发挥了重要作用。今年7月,在国家自然科学基金全国空间天气亮点研究方向研讨会上,相关专家建议发挥我国极区地面观测的优势,以能量流动及其空间环境响应为主线,开展空间事件的联合分析,初步建立空间天气事件能量流动路线图。张北辰说,但空间天气事件能量流动路线图的建立,仍然需要更多的观测数据和经验的、理论的模式,对来自太阳的能量在近地空间的收支平衡作出定量估计,以更好地预测空间环境变化。《科学时报》
(2011-12-05 A4 基金)

  太阳不仅照亮整个太阳系,还时时刻刻朝四面八方喷射高速等离子体,这就是“太阳风”。由于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并几近垂直向太空开放,太阳风与地球磁层相互作用会在极区高层大气引起众多的物理现象,其中“等离子体云块”最为常见。尺度从几百到几千公里不等的“等离子体云块”常常引起极端空间天气环境,使得人类的超视距无线通讯和卫星-地面间的通讯中断,直接影响近地飞行器(飞机、宇宙飞船等)和低轨卫星等的正常运行及其与地面通讯,甚至威胁到航天员的生命安全。研究极区电离层“等离子体云块”如何形成和演化是国际空间天气领域中最重要的课题之一。

由上海科学家领衔的这支科研团队直接观测到了一次强磁暴袭扰地球期间,极区电离层等离子体云块的完整演化过程,并揭示了其中的关键开关一种名为夜侧磁重联的物理过程。这一发现可应用于空间天气预报,为提高和改善通讯、导航精度提供观测和理论支持。

  理论上,极区“等离子体云块”在日侧极光带赤道侧附近产生,并沿极区电离层对流线向极盖区(地球南北极开放磁力线区域)运动,最后从夜侧流出极盖区。整个演化过程中“等离子体云块”内带电粒子因与周围相反极性带电粒子复合而密度逐渐减小。然而,由于极区的恶劣自然环境和观测数据的缺乏,这些“等离子体云块”如何形成和演化,尤其是在恶劣空间天气环境下如何形成和演化,一直是困扰国际空间天气和通讯导航等领域科学家的一大难题。

太阳,不仅照亮了整个太阳系,还无时无刻不在朝四面八方喷射名为太阳风的高速等离子体。这种等离子体,携带着巨大的能量和大量的粒子,不断撞击着包括地球在内的太阳系所有行星的大气层。地球之所以能不被这些天外来客般的高能粒子伤害,是因为它拥有天然屏障全球性磁场,可以有效地阻挡和偏转大多数太阳风带电粒子,并防止这些带电粒子与地球大气层发生直接相互作用。

  由中国极地研究中心主导的国际合作团队分析研究了多年的多手段观测数据,并从中挑选出了200多个灾害性空间天气事件进行深入分析,同时开展相应的计算机模拟实验。利用国际超级双子极光雷达网(SuperDARN)和全球定位系统(GPS)地面接收机的联合观测数据,这一团队首次直接观测到2011年9月26日一次强磁暴袭扰地球期间,极区电离层“等离子体云块”的完整演化过程。经过进一步的理论研究,首次发现“夜侧磁重联”(当两条磁极方向相反的磁力线无限接近时,两条磁力线分别断开并“重新联结”的物理过程称之为磁重联)在等离子体云块演化过程中扮演着重要的“开关”角色。当夜侧磁重联发生时,携带云块运动的开放磁力线因重联而闭合,相当于开关打开,云块可以从重联X线在电离层投影处流出极盖区,并沿着晨昏两侧对流线向日侧演化,演化过程中密度逐渐减小,进而破碎成斑块,并逐渐沿对流线形成低密度带,当低密度带与“舌状”电离区(地球大气中性成分受太阳光的照射而被电离产生的等离子体受地球自转和电离层对流的影响而被“甩”成一个“舌状”的窄带,该窄带从磁正午附近伸进极盖区)相遇后,会通过改变局地等离子体环境,而将“舌状”电离区“撞断”形成一块新的等离子体云块。当夜侧磁重联停止时,开关关闭,云块只能在极盖区内沿对流线和通过极盖区的膨胀而向日侧演化。这一成果将更新人们对“等离子体云块”的形成和演化的认识,将为极区电离层建模和空间天气预报提供重要物理依据。

据论文第一作者张清和博士介绍,由于极区的恶劣自然环境和观测数据的缺乏,等离子体云块的身世一直是个谜,尤其是在恶劣空间天气环境下如何形成和演化,是困扰国际空间天气和通讯导航等领域科学家的一大难题。近年来,为弄清等离子体云块的形成机制,国际上开展了众多的地面多设备联合观测会战,但此前未实现全面、完整的观测。

  该研究是中国极地研究中心在多年极区电离层研究基础上的重大突破。自上世纪九十年代开始,该中心便一直致力于极区电离层和极光研究,形成了一支具有国际学术水平的研究团队,并在我国南极中山站和北极黄河站建设了多要素的、世界先进水平的高空大气物理地磁共轭观测系统(几乎处在地球磁场的同一条磁力线的南北两端)。近年来,在国家重大科技设施项目子午工程和极地考察十五能力建设项目的资助下,我国在南极中山站成功架设了高频相干散射雷达并加盟SuperDARN国际组织,观测能力得到极大地加强。通过充分开展国际合作与交流,该中心取得了上述重要突破。

他和他的合作研究团队分析研究了多年的多手段观测数据,并从中挑选出了200多个灾害性空间天气事件加以深入分析,同时开展相应的计算机模拟实验。利用国际超级双子极光雷达网和全球定位系统地面接收机的联合观测数据,该团队首次直接观测到2011年9月26日一次强磁暴袭扰地球期间,极区电离层等离子体云块的完整演化过程。经过进一步的理论研究,研究人员首次发现,磁力线的相遇与重组在等离子体云块演化过程中扮演着重要的开关角色。所谓磁重联,是太空中非常常见的一种物理现象,是指当两条磁极方向相反的磁力线无限接近时,两条磁力线分别断开并重新联结的物理过程。当夜侧磁重联发生时,携带云块运动的开放磁力线因重联而闭合,相当于开关打开;当夜侧磁重联停止时,开关关闭。

中国极地研究中心主任杨惠根研究员表示,这项科研成果沉淀自我国近30年极地考察的精华,它将为极区电离层建模和空间天气预报提供重要物理依据,具有很高科学价值。

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