亞暴是太陽風(fēng)-磁層-電離層耦合的一種基本模式，是太陽風(fēng)驅(qū)動的重要空間天氣事件。亞暴爆發(fā)性的釋放能量加速加熱粒子，功率達(dá)到10億千瓦，約為全國總發(fā)電功率。認(rèn)知亞暴相關(guān)的太陽風(fēng)-磁層-電離層耦合，是中歐聯(lián)合SMILE衛(wèi)星任務(wù)關(guān)注的主要科學(xué)目標(biāo)之一。亞暴的因果鏈由太陽風(fēng)的南向磁場開始，經(jīng)歷磁層頂磁重聯(lián)，在電離層產(chǎn)生極強的電流和磁場擾動，以AE地磁指數(shù)為表征，并往往伴隨著極光爆發(fā)。亞暴研究一直充滿爭議，其難點是中間因果鏈跨尺度跨圈層難以直接驗證，由此形成了相互對立的“由內(nèi)向外”（inside-out）和“由外向內(nèi)”(outside-in)的唯象模型。
面對亞暴難題，中國科學(xué)院國家空間科學(xué)中心太陽活動與空間天氣重點實驗室的王赤院士團(tuán)隊提出了“另辟蹊徑”的解決思路，通過精確測量“起始端-關(guān)鍵節(jié)點-終端”之間的響應(yīng)時間，作為限制條件，逆向推測中間因果鏈，提出新的亞暴唯象理論模型。
傳統(tǒng)亞暴模型的因果鏈依賴于Dungey循環(huán)圖像，需要磁力線對流至磁尾聚積，響應(yīng)時間為1小時左右。通過衛(wèi)星-地面聯(lián)合觀測，王赤院士、戴磊研究員等發(fā)現(xiàn)一類亞暴，從磁層頂重聯(lián)到產(chǎn)生亞暴電流響應(yīng)的時間在10-20分鐘以內(nèi)。這類亞暴來源于太陽風(fēng)中阿爾芬波攜帶的不斷反轉(zhuǎn)的南北向磁場（IMF Bz）。波動的南北向磁場被地球弓激波壓縮增強后到達(dá)磁層頂，引發(fā)斷斷續(xù)續(xù)的非穩(wěn)態(tài)磁重聯(lián)。增強的磁層頂重聯(lián)伴隨著AU和AE地磁指數(shù)的快速上升，繼而在10-20分鐘內(nèi)產(chǎn)生亞暴電流和亞暴爆發(fā)。這類亞暴在快太陽風(fēng)以及CIR觸發(fā)的磁暴中頻繁出現(xiàn)。
依據(jù)觀測響應(yīng)時間推測因果鏈，王赤、戴磊等提出了新的亞暴唯象理論模型，如下圖所示。磁層頂重聯(lián)引起對流增強，增強的對流電場沿著磁力線映射到電離層高緯極蓋區(qū)。此映射中，對流電場造成的電勢差保持守恒，因為對流電場是垂直磁力線的靜電場，磁力線是等勢線。高緯極蓋區(qū)的對流電場穿透到極光區(qū)，驅(qū)動電離層的雙單元對流模式(two-cell convection)，并導(dǎo)致極光區(qū)的東西向的對流電流(convection electrojet)，體現(xiàn)為AU指數(shù)上升；極光區(qū)對流電場伴隨引起Pedersen電流，以及1區(qū)、2區(qū)場向電流。雙單元對流增強后，夜側(cè)對流電場通過2區(qū)場向電流從電離層映射到磁層偶極場和磁尾的過渡區(qū)域，驅(qū)動磁層的對流產(chǎn)生緯度方向的繞流偏轉(zhuǎn)，從而減小越尾電流，產(chǎn)生磁場偶極化，最終形成亞暴電流楔效應(yīng)和電離層的亞暴電流。整個因果鏈中，重新建立雙單元對流模式需要大約10-20分鐘［Kennel 1996］，而電場和電勢差沿磁力線映射非常迅速，需要的時間在分鐘級別。這類直接驅(qū)動的亞暴獨立于Dungey循環(huán)的因果鏈，其因果鏈通過電離層直接到磁層過渡區(qū)域。
從新亞暴模型的視角看，傳統(tǒng) “由內(nèi)向外”和“由外向內(nèi)”的模型之間的矛盾，來自于亞暴本身就有兩類，自帶有兩種獨立因果鏈。一類亞暴依賴Dungey循環(huán)，是對磁尾磁力線堆積的響應(yīng)，其因果鏈在磁尾更有可能是“由外向內(nèi)”；另一類亞暴是經(jīng)由電離層直接驅(qū)動，其因果鏈在磁尾更有可能是“由內(nèi)向外”。
新的亞暴唯象理論模型與SMILE任務(wù)提出的兩大科學(xué)問題（太陽風(fēng)－磁層相互作用的模式，亞暴的全過程周期）直接相關(guān)，可望在SMILE衛(wèi)星任務(wù)中詳細(xì)研究和檢驗。該研究結(jié)果發(fā)表在期刊The Astrophysical Journal上。
圖：直驅(qū)模式亞暴的唯象理論模型，Dai, Wang et al.,2023APJ。
論文鏈接：https://doi.org/10.3847/1538-4357/acb267
https://doi.org/10.3847/1538-4357/acb266
Citation:
Dai, L, Han, Y.，Wang, C., Yao, S., Gonzalez, W., et al. (2023). Geoeffectiveness of Interplanetary Alfven waves: I. Magnetopause Magnetic Reconnection and Directly-Driven Substorms. The Astrophysical Journal, 945(1),47， https://doi.org/ 10.3847/1538-4357/acb267
Han, Y.，Dai, L., Yao, S., Wang, C., Gonzalez,W., et al. (2023). Geoeffectiveness of Interplanetary Alfven Waves: II. Spectral Characteristics and Geomagnetic Responses. The Astrophysical Journal, 945(1), 48，https://doi.org/ 10.3847/1538-4357/acb266
（供稿：天氣室）
