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理学院杨剑课题组联合在极光研究领域取得系列进展

近日,南方科技大学理学院地球与空间科学系副教授杨剑课题组与中山大学大气科学学院教授崔峻课题组等合作,在极光研究领域取得系列重要成果,并先后在地球科学领域权威自然指数期刊Geophysical Research Letters上连续发表三篇学术论文。


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      自古以来,绚烂多彩的极光现象激发了人类丰富的想象和好奇。在地球北半球和南半球的高纬地区出现的北极光和南极光主要分布在一个椭圆环带区域中,通常也称为极光椭圆带。地球极光是来自地球磁层或太阳表面的高能带电粒子流激发100-300公里高度的高层大气分子或原子而产生的,是太阳风、地球磁层和电离层相互耦合的结果。因此,研究不同形态极光的成因机制对于深入理解地球近地空间环境至关重要。


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图1.地球高纬地区的极光现象(左侧绿光)


第一篇论文题为“A Magnetospheric Driver of Westward Traveling Surge: Plasma-Sheet Bubble”。在地磁活动剧烈的时期,极光活动也随之增强。尤其在一种叫做磁层亚暴的过程中,伴随地球磁层中的积累能量的快速释放,极光活动区迅速扩大,并在空间中形成一个明显的隆起(Bulge)。随后,极光活动往西向和极向的扩张尤为显著。其中,西向的运动速度可达每秒1千米,行进上千公里,形成壮观的极光西行浪涌(WTS)。然而,对于西行浪涌的磁层驱动源仍然缺乏足够的了解。该研究结合高空间分辨率的莱斯对流模型-磁流体耦合模型和电离层极光观测,对西行浪涌的形成机制进行了深入的模拟和观测研究。模拟很好地重现了西行浪涌的典型观测特征以及形成和演化过程。该研究指出西行浪涌的磁层驱动源是磁层等离子体片泡状结构。杨剑课题组博士后魏冬为本论文第一作者,杨剑为通讯作者,南科大是论文第一单位。


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图2.(a)极光西行浪涌事件的模拟结果;(b)西行浪涌的磁层驱动源示意图


第二篇论文题为“Magnetospheric source and electric current system associated with intense SAIDs”。业余天文爱好者时常在普通极光区的南侧拍摄到一种紫红色的狭窄条带发光结构。2018年,科学家将其命名为STEVE(强热辐射速度增强现象),它与极光伴随出现,但又不是极光。统计分析发现STEVE常常与电离层上的亚极光带西向高速离子漂移(SAID)同时出现。然而受到观测数据的限制,以往研究中对于STEVE现象的形成机制,以及STEVE与SAID的内在联系都缺少足够的了解。研究团队利用莱斯对流模型,结合磁流体力学模型,在地基台站与磁层卫星的共轭观测约束下,模拟了一次在STEVE出现时的亚暴期间磁层中的连续等离子体注入过程。模拟结果重现了电离层上的SAID现象,提出了多次等离子体片泡状注入内磁层对SAID和STEVE的形成的重要作用。论文第一作者为南科大地球与空间科学系访问学者、中山大学副研究员王文睿,杨剑为通讯作者,南科大是论文第一单位。


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图3.(a)STEVE发光现象;(b)-(c)SAID现象的模拟结果


第三篇论文题为“Development of Multiple Injection Channels During a Sawtooth Substorm Event”。锯齿状亚暴事件(sawtooth event)指的是在复现性的亚暴活动过程中,地球同步轨道处观测到的高能粒子通量的准周期性变化现象。以前的卫星数据分析和模拟主要侧重于研究锯齿状亚暴事件的时间周期性。在前期的工作中,课题组发现在锯齿状亚暴事件期间,磁层里的粒子注入和电离层里极光形态的演化均与一般亚暴事件有很大差异。为了进一步揭示二者的对应关系及演化过程,课题组将莱斯对流模型的数值模拟和磁层电离层多点卫星的观测数据相结合。研究发现大尺度的注入会逐渐演化为多个中尺度注入通道,并与电离层上的具有空间准周期性的指状极光结构几乎一一对应,同时提供了强有力的证据表明交换不稳定性在多个注入通道的形成发展中起着重要作用。该论文的第一作者为中山大学博士研究生、南科大地球与空间科学系访问学生孙伟钦,通讯作者为杨剑。


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图4.(a)-(b)锯齿状亚暴事件的模拟结果;(c)磁层-电离层耦合过程示意图


杨剑课题组今年已经在Geophysical Research Letters上发表5篇论文。另外两篇分别研究了离子滑移模型在地球电离层和等离子体片中的效应,论文题为“Effects of Ion Slippage in Earth’s Ionosphere and the Plasma Sheet”,论文第一作者为南科大地球与空间科学系访问学者、中山大学副研究员王文睿,通讯作者为杨剑,南科大是论文第一单位。此外,课题组提出了一种将电离层上高能质子通量和高能电子分布变化作为检测磁尾高速流特征的新方法,论文题为“Manifestations of Magnetotail Flow Channels in Energetic Particle Signatures at Low-Altitude Orbit”, 中山大学博士研究生、南科大地球与空间科学系访问学生孙伟钦和杨剑分别为论文第二和第三作者。

相关研究得到了国家自然科学基金、中国科学院先导专项项目、深圳市稳定支持项目等的支持。

 

论文链接:

1.    https://agupubs.onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1029/2021GL095539 

2.    https://agupubs.onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1029/2021GL093253 

3.    https://agupubs.onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1029/2021GL094097 

4.    https://agupubs.onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1029/2020GL091494 

5.    https://agupubs.onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1029/2021GL093543 

 



供稿:地球与空间科学系

文字:魏冬、孙伟钦、王文睿

通讯员:龙晓怡

主图:丘妍