极地中心极地大气与空间物理研究团队

在尾瓣重联的电离层观测特征研究取得进展

地球磁层顶的磁重联物理过程将巨大的太阳风能量注入到地球两极的高空大气中。太阳风所携带的磁场决定了磁重联的基本模式，即南向行星际磁场（IMF）模式和北向行星际磁场模式。南向模式下，太阳风能量较易通过磁重联进入地球空间，储存的能量集中释放触发各种灾害性空间天气，影响在轨航天器、载人航天辐射损害、高纬度地区输电线路、通讯干扰甚至中断。高纬地区磁正午附近可以同时观测到极向快速运动的极光弧和电离层不均匀体结构。而对于北向模式，太阳风能量注入的效率相对低很多。其磁正午极光呈现出点状或者块状，所处的位置相对于南向情况下更靠近极点。同时，在点状极光附近可以看到向赤道方向运动的电离层不均匀体。因此，认识太阳风携带的行星际磁场对磁重联的影响，是空间天气预测预报不可或缺的基础理论。

图1 上游太阳风参数与SuperDARN雷达回波响应一一对应

近日，极区空间物理与天文研究所（筹）极地大气与空间物理学研究团队在国际著名期刊Journal of Geographical Research: Space Physics发表了“Observational Evidence of Transient Lobe Reconnection Triggered by Sudden Northern Enhancement of IMF Bz”的研究论文。该项工作使用了国际超级双子极光雷达网SuperDARN（中山站高频雷达是其成员）覆盖黄河站上空电离层的高分辨率数据以及DMSP卫星的极光与原位探测数据，展示了行星际磁场突然的北向增强对瞬时高纬尾瓣重联的触发与控制作用。研究发现：（1）SuperDARN观测到的位于极隙区极向边界的瞬时向阳电离层对流与IMF Bz的北向转向一一对应，（2）SurperDARN观测到的向阳对流与DMSP卫星观测到的向阳离子漂移有关，（3）在其中一次的向阳对流中同时观测到了极隙区点状类型的极光以及反向离子能量色散。这些观察结果表明尾瓣重联可以由IMF Bz分量的突然北向增加触发。此外，在IMF Bz增强结束后，重联的观测特征很快消失。这表明由IMF Bz突然增加而触发的尾瓣重联是一个瞬时的过程，并与传统的高纬重联特征有所区别。研究团队提出这种北向IMF增强和长时间持续北向IMF触发的尾瓣重联是两种不同的触发机制。

图2 尾瓣重联的反向能量色散

该论文的第一作者是中国极地研究中心和南京信息大学联合培养的博士生王智伟，胡红桥研究员为论文通讯作者，其他合作者分别来自于极地中心极地大气与空间物理学研究团队和南京信息工程大学空间天气团队。研究工作得到了国家重点研发计划(2018YFC1407305、2018YFC1407304、 2018YFC1407303)，国家自然科学基金(Grants 41974185、42030203,、41974190、41604141、 41831072,、42074195)以及子午工程的支持。

相关论文：

Wang, Z., Hu, H., Lu, J., Han, D., Liu, J., Wu, Y., & Hu, Z. (2021). Observational evidence of transient lobe reconnection triggered by sudden northern enhancement of IMF Bz. Journal of Geophysical Research: Space Physics, 126, e2021JA029410. https:// doi.org/10.1029/2021JA029410

文章链接：

https://agupubs.onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1029/2021JA029410