我中心子午工程数据部向子午工程山东大学团队提供了子午工程中山站高频雷达所属的南北极SuperDARN雷达网、黄河站极光全天空成像仪等设备观测数据，支撑了该团队对两类典型极区电离层不均匀体的形成机理和演化特征的系统研究。该研究发现了地球磁层近乎完全闭合事件（学界已知磁层开放磁通量最小的事件）、提出了喉区极光产生极盖区等离子体云块的机制、揭示了冷热云块转变的物理机理。
    “小楼一夜听春雨，深巷明朝卖杏花”。风云变换、冷热交替、日夜轮转、四时更迭，低层大气的天气和气候时至今日仍然深刻影响着人们的生产生活。而随着人类的探索范围逐渐走向更高远的星辰大海，宇宙空间中的天气变化对人类活动的影响已不可忽略。
    地球极地区域是开向太空的天然窗口，是空间天气变化最直观、最活跃的关键区域之一。在这里来自太阳风的高能带电粒子能如落雨一般沉降至极区电离层激发绚烂极光；太阳风与地球磁层相互作用也会驱动极区高层大气高速对流，使得极区电离层的等离子体时而汇聚成云，时而消融于背景空间中。这些与背景相比特征突出（主要是密度与背景不一致）的结构被称为不均匀体结构。这些不均匀体结构由于其显著的密度差异或电磁特性，会对人类的通讯、导航、电力设施及航天系统等产生显著的影响，甚至会威胁人类生命财产安全。
    因此，厘清极区电离层不均匀体的形成机理和演化特征及其相关的日地能量耦合过程，可以进一步加深人类对空间天气的认知，有助于空间天气建模、预报，使空间天气更好地服务于人们日常生产生活。
    子午工程团队成员，山东大学“太阳爆发及其对行星空间环境的影响”攀登计划创新团队中的极区电离层-磁层耦合课题组，基于子午工程中山站高频雷达所属的南北极SuperDARN雷达网、黄河站极光全天空成像仪等设备观测数据，并结合空间中心的PPMLR-MHD高分辨率磁流体动力学模拟结果，系统研究了两类典型极区电离层不均匀体的形成机理和演化特征。
    研究结果发现：（1）在行星际磁场（IMF）长时间的强北向条件下，因太阳风-磁层相互作用而使得极光椭圆带内边界急剧向高纬收缩，进而合并，形成“马轭型”极光并致使极盖区近乎消失，预示着地球磁层近乎闭合（地球磁层开放磁力线几乎被剥蚀殆尽，形成准偶极磁层，磁尾仅有28个地球半径，图1）；（2）出现在亚极光带区域的喉区极光，内部存在的众多精细结构在不断向高纬运动，故而，其伴随的粒子沉降产生的高密等离子体便从亚极光带向极光带和极盖区输运，进而形成等离子体云块（等离子体云块形成新机制，图2）；（3）因日侧磁层顶磁场重联而形成的极向运动极光结构及其伴随的粒子沉降会局部加热相应区域的高密度等离子体云块，形成热等离子体云块，而后热等离子体云块被对流输运进入极盖区，其电子温度由于粒子沉降减少而降低，逐渐转变为冷等离子体云块（图3）。

图1 强北向IMF条件下磁层异常收缩与重塑

图2 喉区极光诱发等离子体云块的新机制

图3 冷、热等离子体云块的形成与演化过程

    这些研究成果不仅有助于我们深入理解不同太阳风与行星际磁场条件下的极区动力学过程，为极区空间天气建模和预报提供物理依据，同时也很好地展示了子午工程多台站、多设备、全球化的协同监测能力，表明其具备极大的服务空间天气研究、建模和预报的科学价值与应用前景。

论文信息：
相关成果分别发表于学科权威期刊：《Communications Earth & Environment》，《Geophysical Research Letters》，《JGR: Space Physics》。第一作者分别为博士生王翔宇、张端，博士后马羽璋，通讯作者均为张清和教授，该成果被评选为子午工程2023年度优秀成果。

论文链接地址：
1.Xiang-Yu Wang, Qing-He Zhang, Chi Wang, Yong-Liang Zhang, Bin-Bin Tang, Zan-Yang Xing, Kjellmar Oksavik, Larry R. Lyons, Michael Lockwood, Qiu-Gang Zong, Guo-Jun Li, Jing Liu, Yu-Zhang Ma, Yong Wang (2023).Unusual shrinkage and reshaping of Earth’s magnetosphere under a strong northward interplanetary magnetic field. Communications Earth & Environment, 31.https://doi.org/10.1038/s43247-023-00700-0
2.Duan Zhang, Qing-He Zhang, Kjellmar Oksavik, Tong Xu, Zan-Yang Xing, L. R. Lyons, De-Sheng Han, Hong-Bo Zhang, Yu-Zhang Ma, Ze-Jun Hu, Jian-Jun Liu, Yong Wang, Xiang-Yu Wang (2023). Do the Throat Auroras Create Polar Cap Patches? Geophysical Research Letters, 50(7).https://doi.org/10.1029/2022GL102263
3.Yu-Zhang Ma, Qing-He Zhang, Larry Lyons, Kjellmar Oksavik, Zan-Yang Xing, Marc Hairston, Balan Nanan, Ze-Jun Hu, Yong Wang, Si-Han Zhao (2023).A Comparative Study on the Hot Dense Plasma and Cold Patch by Using Multi-Instrument Observations. JGR: Space Physics,128(6).https://doi.org/10.1029/2022JA031166

来源：国家空间科学数据中心