極區(qū)電離層是日地能量耦合過程中關(guān)鍵區(qū)域之一，太陽風(fēng)-磁層相互作用會(huì)在極區(qū)電離層引起眾多不均勻體結(jié)構(gòu)。極區(qū)電離層等離子體云塊就是其中一種，其由密度高出背景兩倍以上的等離子體團(tuán)組成。通常認(rèn)為，脈沖式日側(cè)磁重聯(lián)的發(fā)生使得開閉合磁力線邊界向赤道方向光致電離區(qū)域拓展，隨后攜帶局地的高密度等離子體沿逆陽方向的電離層對(duì)流向極蓋區(qū)運(yùn)動(dòng)而形成等離子體云塊。等離子體云塊形成之后，在電離層對(duì)流的進(jìn)一步作用下繼續(xù)沿逆陽方向進(jìn)入并跨越極蓋區(qū)，最后在夜側(cè)磁重聯(lián)的調(diào)制下離開極蓋區(qū)。在其形成和演化過程中，其邊緣通常存在陡峭的密度梯度從而引起電離層傳輸信號(hào)產(chǎn)生閃爍現(xiàn)象，會(huì)給人類的通訊、導(dǎo)航、電力設(shè)施和航天系統(tǒng)等造成很大的危害。因此，研究極區(qū)電離層等離子體云塊的形成和演化的物理機(jī)理對(duì)于空間天氣建模預(yù)報(bào)至關(guān)重要，這也是國際上極區(qū)電離層-磁層耦合研究領(lǐng)域的熱點(diǎn)和難點(diǎn)研究課題之一。

中國科學(xué)院國家空間科學(xué)中心太陽活動(dòng)與空間天氣重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室王赤院士團(tuán)隊(duì)的張清和研究員（通訊作者）、唐斌斌研究員與特別研究助理張端（第一作者），利用GPS TEC、SuperDARN雷達(dá)網(wǎng)、DMSP衛(wèi)星觀測(cè)數(shù)據(jù)及PPMLR-MHD模型模擬數(shù)據(jù)，分析了2014年2月27日16:00-24:00UT行星際磁場南向條件下的中等地磁暴主相期間（如圖1），一系列電離層大尺度的等離子體云塊“波紋狀”演化過程。16:50UT左右（黑色虛線），激波撞擊磁層頂，IMF和太陽風(fēng)劇烈變化, 引起了中等強(qiáng)度地磁暴。

圖1. 2014年2月27日16:00-24:00UT期間太陽風(fēng)、行星際磁場條件以及跨極蓋電勢(shì)指數(shù)和地磁活動(dòng)指數(shù)。

圖2給出了事件期間GPS TEC map并疊加了SuperDARN給出了極區(qū)電離層對(duì)流模式。從圖中可以看出，地磁暴發(fā)生后，極區(qū)雙渦對(duì)流赤道向膨脹，CPCP指數(shù)增加，驅(qū)使高密度暴時(shí)密度增強(qiáng)區(qū)域（SED）進(jìn)入極蓋區(qū)形成舌狀電離區(qū)（TOI）。CPCP指數(shù)的增強(qiáng)和減弱，使得高密度和低密度等離子體交替進(jìn)入極蓋區(qū)，形成初始的“波紋狀”結(jié)構(gòu)。IMF By由負(fù)轉(zhuǎn)正后,云塊向西北方向扭轉(zhuǎn), 并幾乎處于昏側(cè)對(duì)流渦中向夜側(cè)運(yùn)動(dòng)。最后，當(dāng)云塊到達(dá)夜側(cè)和昏側(cè)的極蓋區(qū)邊界時(shí),從一個(gè)很寬的區(qū)域（18-24 MLT）離開極蓋區(qū)。這表明在廣闊的MLT區(qū)域正在進(jìn)行磁尾重聯(lián)，因?yàn)榇┰揭箓?cè)極蓋區(qū)邊界的運(yùn)輸需要正在進(jìn)行磁尾重聯(lián)。在這里，我們將“波紋狀”云塊結(jié)構(gòu)定義為多個(gè)等離子體云塊從日側(cè)向夜側(cè)排列，并沿著緯向逐漸延長，它們的邊界曲率都近似指向同一個(gè)中心。

圖2. 事件期間GPS TEC map并疊加了SuperDARN給出了極區(qū)電離層對(duì)流模式。

為了驗(yàn)證磁尾磁重聯(lián)是否發(fā)生在較廣的MLT區(qū)域，圖3給出了在強(qiáng)南向IMF Bz和昏向IMF By條件下的PPMLR-MHD模型模擬的磁尾和其兩側(cè)磁力線的三維拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，從圖中可以看出磁重聯(lián)發(fā)生在一個(gè)昏側(cè)和夜側(cè)扇區(qū)的廣泛的區(qū)域，從磁尾的中心（約24 MLT）到昏側(cè)（約18 MLT），其特征是形成了full-open和closed場線。這使得等離子體云塊向夜側(cè)磁重聯(lián)區(qū)擴(kuò)展的方向伸展，并從較寬MLT區(qū)域離開極蓋區(qū)。該工作不僅指出“波紋狀”的等離子體云塊演化過程明顯是受到了日側(cè)磁層頂重聯(lián)和夜側(cè)磁尾重聯(lián)的調(diào)制，還為向昏側(cè)擴(kuò)展的磁尾磁重聯(lián)現(xiàn)象提供了證據(jù)。

圖3. 強(qiáng)南向IMF Bz和昏向IMF By條件下的PPMLR-MHD模型模擬的磁尾和其兩側(cè)磁力線的三維拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)。

上述研究成果以“A “Wave-Like” Evolution of Polar Cap Patches Modulated by Enhanced Magnetopause Reconnection and Extended Magnetotail Reconnection”為題發(fā)表在Journal of Geophysical Research: Space Physics上。合作團(tuán)隊(duì)還包括挪威卑爾根大學(xué)、美國約翰斯·霍普金斯大學(xué)、美國麻省理工學(xué)院Haystack天文臺(tái)和英國雷丁大學(xué)的研究人員。該成果得到國家自然科學(xué)基金項(xiàng)目、子午工程、中國電波傳播研究所項(xiàng)目等的共同資助。

論文鏈接：

Zhang, D., Zhang, Q.‐H.*, Oksavik, K., Tang, B.‐B., Zhang, Y.‐L., Lockwood, M., et al. (2024). A “wave-like” evolution of polar cap patches modulated by enhanced magnetopause reconnection and extended magnetotail reconnection. Journal of Geophysical Research: Space Physics, 129, e2024JA033349. https://doi.org/10.1029/2024JA033349