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1、中国极地科学家揭开极区“等离子体云块”的神秘面纱独特的地理位置，使地球南北两极产生许多奇异的自然现象。在极区高空大气中，飘忽不 定的“等离子体云块”常常对人类的通讯、导航、电力设施和航天系统等造成很大危害。一个由 中国极地研究中心主导的国际合作团队，首次揭开了 “等离子体云块”的神秘面纱一一直接观测 到了一次强磁暴袭扰地球期间，极区电离层“等离子体云块”的完整演化过程，并揭示了“磁重联” 在云块形成和演化过程中的重要调制作用。美国科学杂志29日在线发表了这一研究的相关成果1。中国极地研究中心主任杨惠根 表示，这项科研成果沉淀自我国近30年极地考察的精华，是极地考察十五能力建设成果的结晶， 它将
2、为极区电离层建模和空间天气预报提供重要物理依据，具有很高科学价值。资料图片：太阳风暴下的地球磁场及相应区域示意图太阳不仅照亮整个太阳系，还时时刻刻朝四面八方喷射高速等离子体，这就是“太阳风”（如 上图所示）。由于极区是地球开向太空的天然窗口，地球磁力线在极区高度汇聚并几近垂直向太 空开放，太阳风与地球磁层相互作用会在极区高层大气引起众多的物理现象，其中“等离子体云 块”最为常见。尺度从几百到几千公里不等的“等离子体云块”常常引起极端空间天气环境，使得人类的超 视距无线通讯和卫星一地面间的通讯中断，直接影响近地飞行器（飞机、宇宙飞船等）和低轨 卫星等的正常运行及其与地面通讯，甚至威胁到航天员的生
3、命安全。研究极区电离层“等离子体 云块”如何形成和演化是国际空间天气领域中最重要的课题之一。据论文第一作者张清和博士介绍，理论上，极区“等离子体云块”在日侧极光带赤道侧附 近产生，并沿极区电离层对流线向极盖区（地球南北极开放磁力线区域）运动，最后从夜侧流 出极盖区。整个演化过程中“等离子体云块”内带电粒子因与周围相反极性带电粒子复合而密 度逐渐减小。然而，由于极区的恶劣自然环境和观测数据的缺乏，这些“等离子体云块”如何 形成和演化，尤其是在恶劣空间天气环境下如何形成和演化，一直是困扰国际空间天气和通讯 导航等领域科学家的一大难题。在海洋公益性行业专项、国家自然科学基金重大、重点项目和科技部97
4、3项目等基金资助 下，该团队分析研究了多年的多手段观测数据，并从中挑选出了 200多个灾害性空间天气事件 进行深入分析，同时开展相应的计算机模拟实验。利用国际超级双子极光雷达网（SuperDARN） 和全球定位系统（GPS）地面接收机的联合观测数据，这一团队首次直接观测到2011年9月26 日一次强磁暴袭扰地球期间，极区电离层“等离子体云块”的完整演化过程。经过进一步的理论 研究，首次发现“夜侧磁重联”（当两条磁极方向相反的磁力线无限接近时，两条磁力线分别断开并“重新联结”的物理过程称之为磁重联）在等离子体云块演化过程中扮演着重要的“开关”角 色（如上图所示）。当夜侧磁重联发生时，携带云块运动
5、的开放磁力线因重联而闭合，相当于开 关打开，云块可以从重联X线在电离层投影处流出极盖区，并沿着晨昏两侧对流线向日侧演化， 演化过程中密度逐渐减小，进而破碎成斑块，并逐渐沿对流线形成低密度带，当低密度带与“舌 状”电离区（地球大气中性成分受太阳光的照射而被电离产生的等离子体受地球自转和电离层 对流的影响而被“甩”成一个“舌状”的窄带，该窄带从磁正午附近伸进极盖区）相遇后，会通过 改变局地等离子体环境，而将“舌状”电离区“撞断”形成一块新的等离子体云块。当夜侧磁重 联停止时，开关关闭，云块只能在极盖区内沿对流线和通过极盖区的膨胀而向日侧演化。仞侧0 MLT北半球极区电离层等离子体云块演化过程示意图
6、该研究是中国极地研究中心在多年极区电离层研究基础上的重大突破。自上世纪九十年代 刘瑞源研究员和杨惠根研究员创立我国极区高空大气物理学科以来，该中心一直致力于极区电 离层和极光研究，形成了一支具有国际学术水平的研究团队，并在我国南极中山站和北极黄河 站建设了多要素的、世界先进水平的高空大气物理地磁共轭观测系统（几乎处在地球磁场的同 一条磁力线的南北两端）。近年来，在国家重大科技设施项目子午工程和极地考察十五能力建设 项目的资助下，我国在南极中山站成功架设了高频相干散射雷达并加盟SuperDARN国际组织， 观测能力得到极大地加强。在此基础上，该团队通过与英国雷丁大学英国皇家科学院院士 Micha
7、el Lockwood教授、挪威奥斯陆大学J0ran Moen教授和美国麻省理工学院张顺荣研究员以 及美国弗吉尼亚理工学院Michael Ruohoniemi教授等SuperDARN雷达国际组织科学家开展国 际合作，在极区等离子体云块的研究方面取得了上述突破。1 注：Zhang Qing-He, Bei-Chen Zhang, Michael Lockwood, Hong-Qiao Hu, J0ran Moen, John M. Ruohoniemi, Evan G. Thomas, Shun-Rong Zhang, Hui-Gen Yang, Rui-Yuan Liu, Kathryn A.
8、 McWilliams, Joseph. B. H. Baker, Direct Observations of the Evolution of Polar Cap Ionization Patches （极盖区电离化等离子体云块演化过程的直接观测）,Science, will be published on 29 Mar. 2013.（完）背景链接一：目前，我国在南极中山站和北极黄河站已建设了多要素的、世界先进水平的 高空大气物理自主观测系统，利用中山站和黄河站地磁共轭（几乎处在地球磁场的同一条磁力 线的南北两端）的地理优势，建成了国际高纬共轭观测台站，并建立了相应的数据分析平台。 在国家
9、重大科技设施项目子午工程和极地考察十五能力建设项目的资助下，我国在南极中山站 已成功架设了高频相干散射雷达并加盟SuperDARN（国际超级双子极光雷达网）国际组织，可 与英国、美国、加拿大等十二个成员国家科学家共享南北极31部SuperDARN雷达的联合观测 数据。背景链接二：太阳不仅照亮了我们整个太阳系，还时时刻刻在朝四面八方喷射出名为“太 阳风”的高速等离子体。这种等离子体携带着巨大的能量和大量的粒子不断撞击着包括我们地球 在内太阳系所有行星的大气层。地球等行星具有的全球性磁场可以有效地阻挡和偏转大多数来 自太阳大气的太阳风带电粒子，并防止这些带电粒子与地球大气层发生直接相互作用。然而，
10、 地球极区是地球开向太空的天然窗口，地球磁力线在极区高度汇聚并几近垂直向太空开放，因 而，太阳风所携带的高能粒子能直接“撞”进地球南北两极的大气层，形成美丽的极光。太阳风 与地球磁层的相互作用引起的各类动力学过程也可以直接映射到极区电离层，使得极区电离层 等离子体沉降、输运等过程极为复杂多变，并伴随着众多的不均匀体结构，其中等离子体云块 最为常见。极区电离层等离子体云块是由密度高出背景两倍或两倍以上的等离子体团组成，其 尺度从几百到几千公里不等。极区等离子体云块的形成和演化过程能给人类的通讯、导航、电 力设施和航天系统等造成很大的危害，例如：这些结构所引起的极端空间天气环境能使得超视 距无线通
11、讯和卫星一地面间的通讯中断，也能直接影响近地飞行器（飞机、宇宙飞船等）和低 轨卫星等的正常运行及其与地面的通讯等，甚至威胁到航天员的生命安全。因此，研究极区电 离层等离子体云块如何形成和演化是空间天气领域中最重要的课题之一。背景链接三：近年来，为弄清极区电离层等离子体云块的形成机制，国际上开展了众多的 地面多设备联合观测会战，挪威和美国等也制定或完成了一系列的火箭探测计划，也在一定程 度上揭示了极区等离子体云块的形成过程。然而，由于地面探测的区域覆盖局限性、火箭探测 的空间和时间局限性等，极区电离层等离子体云块的形成机制仍有待进一步研究和证实。另外， 欧美科学家曾通过数据同化等技术简单的揭示了
12、极区等离子体云块的演化过程。然而，由于地 面和卫星观测的空间和时间局限性以及极区电离层的复杂多变性，极区等离子体云块的演化特 征及其控制因素至今仍远未清楚。因此，开展极区电离层等离子体云块形成和演化特征研究， 将能为我国近地空间环境的预测和预报以及极区电离层建模提供物理依据，具有其潜在的应用 价值。背景链接四：地球大气中性成分会因受太阳光的照射而被电离（光致电离），在日侧会形 成密度较高的电离层等离子体。这些等离子体在受到地球自转和电离层对流的影响后，部分被 “甩”成一个“舌状”的窄带从磁正午附近伸进极盖区（通常被称之为舌状电离区（“tongue” of ionization）o欧美科学家之前
13、的研究表明，极区电离层等离子体云块可能源自舌状电离区。理论 上，极区等离子体云块在日侧极光带赤道侧附近产生，并沿极区电离层对流线向极盖区（地球 南北极开放磁力线区域）运动，最后从夜侧流出极盖区。整个演化过程中等离子体云块内带电 粒子因与周围相反极性带电粒子复合而密度逐渐减小。然而，由于极区电离层极为复杂多变， 等离子体块的形成受到众多因素的影响，其形成机制和演化过程至今尚无定论。张清和个人简介：1979年10月生。2005年起成为中国极地研究中心与西安电子科技大学联合培养博士研究 生，并于2008年底获得理学博士学位。博士期间，曾先后两次前往我国北极黄河站进行越冬科 学观测。2008年11月前
14、往英国卢瑟福阿普尔顿实验室做博士后，并于2010年初出站回国进入 中国极地研究中心极区大气与空间物理学研究室工作。目前，正在主持国家自然科学基金面上 项目和青年基金等多个科研项目，并参加了极地中心承担的国家自然科学基金重大、重点项目 及973项目等的研究工作。近五年来，除上述Science论文外，张清和还在Physical Review Letters、Journal of Geophysical Research、Annales Geophysicae等国际知名学术期刊上共发表论文20余篇， 并多次获得全国极地科学优秀论文奖。曾多次参加包括美国地球物理年会（AGU）、欧洲地球 物理年会（EGU）、亚洲大洋洲地球物理年会（AOGS）等国际国内学术会议，口头宣读或展板展 示了学术论文30余篇次（包括多个学术邀请报告），并获得2009年欧洲地球物理年会（EGU） “青年科学家杰出展板论文奖”（EGU Young Scientists Outstanding Poster Presentation （YSOPP） Award），且作为会议召集人之一在AOGS上两次组织了高纬电离层组的学术交流活动（2011 年AOGS上作为共同召集人，2013年AOGS上将作为第一召集人）。另外，还作为主要完成人 之一（研究骨干）获得2011年国家海洋局科技创新成果二等奖。
