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空间科学攀登团队在极区电离层等离子体云块研究方面取得新进展

发布日期:2022年06月20日 16:38 点击次数:

[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”攀登团队-“极区电离层-磁层耦合”课题组,在极区电离层等离子体云块研究方面取得新进展,成果以“北半球冬季冷/热等离子体云块对局地等离子体输运和粒子沉降的依赖性关系研究”为题在Geophysical Research Letters(GRL)在线发表(Zhang Duan, et al., 2022,JCR和中科院地学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,山东大学为第一和通讯作者单位。

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,且太阳风-磁层相互作用引起的各种动力学过程也能直接映射到极区电离层,在极区电离层引起众多的不均匀体结构。极区电离层等离子体云块就是其中一种,其由密度高出背景两倍或两倍以上的等离子体团组成,尺度从几百到几千公里不等。在形成和演化过程强电子密度梯度会沿着其边缘发生,这会导致极区电离层传输信号产生强闪烁,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。因此,认识极区电离层等离子体云块的主要特征及其形成和演化的物理机理对于空间天气建模预报至关重要,这也是国际上极区电离层-磁层耦合研究领域的热点和难点研究课题之一。

极区电离层等离子体云块一直是“电离层—磁层耦合”课题组的核心研究方向之一,并先后在等离子体云块的形成机制和演化特征及其伴随的离子上行与电离层闪烁等方面取得了系列研究成果(发表SCI论文超15篇,其中包括Science 1篇,GRL 7篇等)。近期,课题组还对等离子体云块进行了分类:冷等离子体云块(高密度和低电子温度)和热等离子体云块(高密度和高电子温度),发现其具有不同空间天气效应与不同太阳活动依赖性等,例如:冷等离子体云块的发生对太阳活动和地磁活动呈明显依赖性关系,而热等离子体云块则没有这种依赖性;在北半球冬季,冷和热等离子体云块的空间尺度随着太阳(地磁)活动而减小等(Zhang Duan, et al., 2021)。然而,冷/热等离子体云块对局地等离子体输运和粒子沉降的依赖性关系尚未清楚(成因之谜)。

图1. 8种不同时钟角条件下,日侧冷等离子体云块(蓝色)和热等离子体云块(红色)在MLAT-MLT坐标系下的空间分布,并叠加到的电离层统计对流模型上(电势,灰色线),时钟角(θ = atan (By/Bz))每45o为一个间隔,每个区间的中心时钟角为(a)-45o, (b)0o, (c)45o等等。黄色虚线表示极紫外极光卵统计极向边界。冷热云块的数量标在每个面板的右上角。

图2. (a1-a4)等离子体云块发生率、(b1-b4)O+密度、(c1-c4)电子温度(Te)、(d1-d4)软电子(<1keV)能量通量,和(e1-e4)cross-轨道速度(Vcross-track)的MLAT与时钟角分布。左边两列对应冷等离子体云块,右边两列对应热等离子体云块。数据以1oMLAT和10o时钟角划分为一个网格。面板a1-a4中的黑色/洋红色线标识各时钟角区间内云块最高发生率对应的MLAT连线(面板a1-a2中的洋红色虚线与面板a3-a4洋红色实线重叠,以便更容易地比较冷热云块发生率)。

图3. 冷(蓝色)/热(红色)等离子体云块和背景条件(灰色)与水平对流速度(Vcross-track)及软电子沉降能通量的关系。蓝色和红色点线分别表示冷热云块的相对发生率。面板a和b对应南向IMF,面板c和d对应北向IMF。

本项研究中,在张清和教授的指导下,张端等对DMSP F16卫星2005-2018年冬半年观测到的4634个冷等离子体云块(高密度和低电子温度)和4700个热等离子体云块(高密度和高电子温度)进行了统计分析,研究了极区电离层等离子体云块在不同行星际磁场(IMF)条件下的电离层对流位型中的分布及相对位置关系,分析了冷/热等离子体云块对局地等离子体输运和软电子沉降的依赖性。研究结果表明:在冬季,(1)冷/热等离子体云块更多地分布在受IMF调制的更强的电离层逆阳流中(如图1所示)。(2)冷等离子体云块更靠近极盖区中心区域,而热等离子体云块则更靠近极光卵(如图2所示)。(3)在Bz<0条件下,增强的逆阳流动(E x B漂移)促进冷等离子体云块的产生,而无论行星际磁场南向还是北向,软电子沉降均促进热等离子体云块的产生(如图3所示)。

该研究受到国家自然科学基金项目、中国电波传播研究所项目、“子午工程二期”和中国博士后科学基金会等的资助。

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【供稿单位:威海校区宣传部    作者:张端    编辑:新闻网工作室    责任编辑:王亦婷 蒋晓涵  】

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