科學家首次在地球極區電離層與磁層發現類似台風或颶風的現象 命名為“太空台風”
（神秘的地球uux.cn報道）據山東大學（作者：杜猛）：北京時間2月22日18點，《自然・通訊》（Nature Communications）在線發表了山東大學“太陽爆發及其對行星空間環境的影響”攀登計劃創新團隊、空間科學研究院電離層-磁層耦合課題組組長張清和教授領導的國際團隊最新研究成果，並被《自然》（Nature）選為研究亮點。該項研究成果首次在地球極區電離層與磁層發現了類似台風或颶風的現象，並將其命名為“太空台風（Space hurricane）”，揭示了其形成機製。
該項研究利用美國“國防氣象衛星”（DMSP）觀測和銥衛星搭載的工程磁力計開展的“主動磁層與行星電動力學響應實驗”（AMPERE）獲取的全球場向電流分布數據，結合中科院國家空間科學中心的三維磁流體力學模擬，獲得以上發現。該成果將提升人們對太陽風-磁層-電離層耦合過程的係統認知。論文以"A Space Hurricane over the Earth's Polar Ionosphere"（地球極區電離層上空的太空台風）為題，山東大學為論文第一和通訊作者單位，張清和為第一和通訊作者，美國約翰霍普金斯大學應用物理實驗室張永良研究員、中科院空間中心王赤研究員團隊等作出重要貢獻。
台風或颶風是發生在低層大氣中的強烈熱帶氣旋，往往伴隨有狂風暴雨，給人類帶來巨大生命或財產損失，甚至是災難。那麽在地球或其他行星的高層大氣中是否存在類似台風或颶風的現象呢？這一直是科學家們好奇與尋覓的難點課題之一。與低層大氣的中性粒子環境不同，高層大氣（磁層和電離層）屬等離子體（帶電粒子）環境，若存在類似台風或颶風的現象，將預示著在該情況下日地能量耦合過程的效率會大大提高。然而，由於高層大氣空間浩大、環境惡劣致使該區域內觀測相當缺乏，人們也一直沒有在高層大氣中發現類似台風或颶風的蜘絲馬跡。
針對這一科學挑戰，近年來張清和教授帶領團隊與國內外研究者合作，利用係列先進的觀測設備或裝置和計算機數值模擬，展開了係統性的研究工作。這些裝置和模擬包括月球軌道衛星、電離層衛星和我國南北極地麵台站的觀測，以及中科院空間中心對相關事件的高時空分辨率三維太陽風-磁層-電離層耦合磁流體力學模擬。
該團隊發現，2014年8月20日，在一次長時間的地磁極端平靜條件下，地球北極磁極點附近發生了一類類似於台風氣旋狀的水平尺度超過1000公裏的極光亮斑結構，亮度比極光橢圓內的極光亮得多，這是一個非同尋常的現象，因為通常情況下磁極點附近的極蓋區是沒有明顯極光的，極光大都發生在緯度較低的極光橢圓內。該結構持續近8小時，並伴隨有明顯的強的亮斑狀上行場向電流、強等離子體對流渦旋剪切（中心處速度接近為0，“台風眼”）、離子上行、局部電子溫度上升1000K 以上、先負後正的雙極磁場結構（預示著存在磁通管結構）、電子的倒V型加速（中心附近能量可達10 keV以上）、堪比超級磁暴的電子沉降能通量等。這些特征與台風或颶風十分相似，基於此，該團隊將這一現象命名為“太空台風”。
經觀測與模擬對比分析發現：在這段長時間極端平靜期內，發生在地球高緯度磁層頂的較為穩定的尾瓣磁場重聯及其引起的磁力線或磁流管的演化，促使在地球北極的磁極點上方的電離層與磁層形成了一個巨大的順時針旋轉的漏鬥形磁螺旋結構。該結構形成了太陽風帶電粒子直接進入地球中高層大氣和電離層離子上行和逃逸至磁層的通道，極大提升了太陽風-磁層能量耦合的效率。同時，該結構所引起的極端空間天氣環境也能直接影響相關區域內的無線通訊導航與定位、超視距雷達探測和衛星的正常運行等。
該研究表明在極端平靜地磁條件下，極區仍可能存在堪比超級磁暴活動時的局地劇烈地磁擾動和能量注入現象，更新了人們對極端平靜條件下太陽風-磁層-電離層耦合過程的認識。
該項研究是在國家自然科學基金、國家子午工程和國際空間科學研究所等項目支持下展開的。近年來，張清和教授團隊聚焦極區電離層-磁層耦合及其空間天氣效應等國際熱點和難點科學問題開展了係統性的研究工作，取得了係列研究成果，先後有等離子體雲塊和跨極蓋極光弧等方麵的工作發表於Science [Science, 339, 1597-1600 (2013)，當期亮點]和PNAS[PNAS, 117, 16193-16198 (2020)] 等權威期刊，並受邀撰寫了美國地球物理學會（AGU）書籍關於高緯電離層不均勻體方麵的章節[AGU Monograph chapter, 16, 285-302 (2020)]等。
相關論文信息：https://www.nature.com/articles/s41467-021-21459-y
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（神秘的地球uux.cn報道）據中國科學報（甘曉）：2月22日，《自然—通訊》在線發表了山東大學空間科學研究院教授張清和領導的國際團隊的最新研究成果，並被《自然》選為研究亮點。該研究中，科學家首次在地球極區電離層與磁層發現了類似台風或颶風的現象，將其命名為“太空台風”，並揭示了其形成機製。
低層大氣中發生的強烈熱帶氣旋被稱為台風或颶風。令科學家好奇的是，在地球或者其他行星的高層大氣中，是否也存在類似現象？
近年來，張清和帶領團隊與國內外研究者合作，利用係列先進的觀測設備或裝置以及計算機數值模擬，展開了係統研究。
2014年8月20日出現在北極的一種巨型極光亮斑引起研究人員的高度關注。當時，正處於一次長時間的地磁極端平靜條件下，地球北極磁極點附近出現類似於台風氣旋狀的極光亮斑結構，其水平尺度超過1000公裏。
通過更為全麵地觀測數據以及對該結構特點的分析，研究人員認為，其與台風或颶風的特征非常類似，包括中心處“台風眼”的等離子體速度接近為0、磁場存在圓形擾動等。因此，他們將這一從未觀察到的新現象命名為“太空台風”。
研究人員還經過進一步觀測與模擬對比分析揭示了“太空台風”形成的機製。這一長時間極端平靜期內，發生在地球高緯磁層頂的較為穩定的尾瓣磁場重聯及其引起的磁力線或磁流管的演化，促使在地球北極的磁極點上方的電離層與磁層形成了一個巨大的順時針旋轉的漏鬥形磁螺旋結構。該結構形成了太陽風帶電粒子直接進入地球中高層大氣和電離層離子上行和逃逸至磁層的通道，極大提升了太陽風—磁層能量的耦合效率。同時，該結構所引起的極端空間天氣環境也能直接影響相關區域內的無線通信導航與定位、超視距雷達探測和衛星的正常運行等。
張清和表示，這一研究表明，在極端平靜地磁條件下，極區仍可能存在堪比超級磁暴活動時的局地劇烈地磁擾動和能量注入現象，這更新了人們對極端平靜條件下太陽風—磁層—電離層耦合過程的認識。
相關論文信息：https://doi.org/10.1038/s41467-021-21459-y