近期，在國(guó)家自然科學(xué)基金項(xiàng)目等的資助下，山東大學(xué)張清和教授帶領(lǐng)的國(guó)際團(tuán)隊(duì)，利用衛(wèi)星和我國(guó)南極中山站地基觀測(cè)數(shù)據(jù)，結(jié)合中國(guó)科學(xué)院國(guó)家空間科學(xué)中心的三維磁流體力學(xué)模擬，首次揭開(kāi)了發(fā)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(jī)制，這將提升人們對(duì)極光弧形成的認(rèn)知。該成果以“跨極蓋多重極光弧揭示地球磁尾耦合過(guò)程的新認(rèn)識(shí)（Multiple transpolar auroral arcs reveal new insight about coupling processes in the Earth’s magnetotail）”為題，于6月29日在《美國(guó)科學(xué)院院刊》（PNAS）上在線發(fā)表。山東大學(xué)為論文第一和通訊作者單位，張清和教授為第一和通訊作者，美國(guó)約翰霍普金斯大學(xué)張永良研究員和中國(guó)科學(xué)院國(guó)家空間科學(xué)中心王赤院士團(tuán)隊(duì)均做出重要貢獻(xiàn)。

　　圖一：我國(guó)南極中山站拍攝的多重極光弧照片（邢贊楊攝）

　　“跨極蓋極光弧”是發(fā)生在地球南北極高緯地區(qū)（極蓋區(qū)）的一類弧狀極光現(xiàn)象，該極光弧經(jīng)常橫跨整個(gè)極區(qū)，連接日側(cè)和夜側(cè)極光帶，尺度達(dá)數(shù)千公里。有時(shí)，在整個(gè)極蓋區(qū)僅出現(xiàn)一條跨極蓋極光弧，因其與極光橢圓一起構(gòu)成形狀如橫寫(xiě)的希臘字母“θ”而被稱之為“Theta極光”；極蓋區(qū)有時(shí)會(huì)出現(xiàn)多條跨極蓋極光弧，被稱為“跨極蓋多重極光弧”?？鐦O蓋極光弧常常發(fā)生在地磁平靜期，其形成、分布和演化直接受磁層動(dòng)力學(xué)過(guò)程和電離層大尺度對(duì)流等的調(diào)制和影響，是太陽(yáng)風(fēng)-磁層-電離層耦合在極區(qū)電離層的典型蹤跡之一，能夠反映日地能量的耦合過(guò)程?？鐦O蓋極光弧所引起的極光粒子沉降還能引起電離層閃爍，影響人類在極區(qū)的通訊和導(dǎo)航定位等。但是，由于磁層、電離層空間的浩大和極區(qū)惡劣的自然環(huán)境所導(dǎo)致的觀測(cè)缺乏，跨極蓋極光弧，尤其是跨極蓋多重極光弧的形成機(jī)理至今尚不明確。

　　針對(duì)這一科學(xué)問(wèn)題，近年來(lái)，張清和教授帶領(lǐng)團(tuán)隊(duì)與國(guó)內(nèi)外研究者合作，利用一系列先進(jìn)的觀測(cè)設(shè)備或裝置和計(jì)算機(jī)數(shù)值模擬，展開(kāi)了系統(tǒng)性研究。這些裝置和模擬包括磁層月球軌道衛(wèi)星、電離層衛(wèi)星和我國(guó)南北極地面臺(tái)站的觀測(cè)，以及中國(guó)科學(xué)院國(guó)家空間科學(xué)中心對(duì)相關(guān)事件的高時(shí)空分辨率三維太陽(yáng)風(fēng)-磁層-電離層耦合磁流體力學(xué)模擬。

　　研究團(tuán)隊(duì)發(fā)現(xiàn)，2017年9月7日，在一次行星際磁場(chǎng)長(zhǎng)時(shí)間北向的地磁平靜期內(nèi)，南極上空的極蓋區(qū)內(nèi)出現(xiàn)了多達(dá)六條以上明亮的跨極蓋極光弧現(xiàn)象（亮度比極光橢圓內(nèi)的極光還強(qiáng)，而通常情況下極蓋區(qū)是沒(méi)有明顯極光的，極光大都發(fā)生在極光橢圓內(nèi)）。經(jīng)觀測(cè)與模擬對(duì)比分析發(fā)現(xiàn)，該平靜期內(nèi)，較強(qiáng)的太陽(yáng)風(fēng)與磁層相互作用在磁層邊界層以及磁尾內(nèi)部形成了多條拉伸的對(duì)流剪切片，進(jìn)而在地球的磁尾產(chǎn)生多條拉長(zhǎng)的場(chǎng)向電流片（長(zhǎng)達(dá)幾十甚至上百個(gè)地球半徑），這些電流片能夠有效地加速局地電子，使這些電子沉降到極區(qū)電離層，進(jìn)而形成了跨極蓋多重極光弧。同時(shí)，該研究團(tuán)隊(duì)還發(fā)現(xiàn)，這類因發(fā)生在磁層的對(duì)流剪切而形成極光弧的機(jī)制可能對(duì)極區(qū)所有極光弧的形成都普遍適用，進(jìn)而揭開(kāi)了極光弧形成的神秘面紗。

    該工作得到了審稿人的高度評(píng)價(jià)，認(rèn)為“該論文解決了在解釋跨極蓋多重極光?。═PAs）時(shí)所面臨的一些明顯困難。因此，我認(rèn)為該論文在我們理解跨極蓋極光弧（TPA）方面不僅僅是前進(jìn)了一步（…, the paper resolves some apparent difficulties that have faced the interpretation of TPAs. I would therefore consider this paper to offer more than an incremental step in our understanding of TPAs.）”。

      論文鏈接

　　圖二：DMSP衛(wèi)星與我國(guó)南極中山站極光觀測(cè)圖像。圖像被投影在地磁與磁地方時(shí)坐標(biāo)系中，是從南極上空往下看的效果。

　　圖三：該事件期間，中國(guó)科學(xué)院國(guó)家空間科學(xué)中心三維磁流體力學(xué)模擬的場(chǎng)向電流在磁層磁赤道面內(nèi)的分布及其沿磁力線在南極電離層的投影。

　　近年來(lái)，張清和教授團(tuán)隊(duì)聚焦極區(qū)電離層-磁層耦合及其空間天氣效應(yīng)等國(guó)際熱點(diǎn)和難點(diǎn)科學(xué)問(wèn)題開(kāi)展了系統(tǒng)性的研究工作，取得了一系列研究成果，包括利用極區(qū)電離層等離子體云塊完整追蹤不同條件下的磁層大尺度對(duì)流循環(huán)方面的工作，其中一篇成為Science當(dāng)期亮點(diǎn)[Science, 339, 1597-1600 (2013)]、一篇登上J. Geophys. Res.封面[JGR, 121, 9063–9074 (2016)]，并受邀撰寫(xiě)了美國(guó)地球物理學(xué)會(huì)（AGU）學(xué)術(shù)圖書(shū)中關(guān)于高緯電離層不均勻體方面的章節(jié)[AGU Monograph chapter, 16, 285-302 (2020)]等。