“太空颱風”是如何被我國科學家首次發現的
2021年03月04日21:10

原標題:“太空颱風”是如何被我國科學家首次發現的

  新華社北京3月4日電 題:“太空颱風”是如何被我國科學家首次發現的

  新華社記者劉詩平

  低層大氣中會出現強烈熱帶氣旋颱風,高層大氣中是否也會出現“颱風”?近日,我國空間物理學家、山東大學空間科學研究院張清和教授率領的國際研究團隊,首次在北極上空發現了類似颱風的“太空颱風”。這一最新研究成果被《自然·通訊》在線發表,並被《自然》選為研究亮點。

  “太空颱風”是如何被發現的?這一發現有何科學價值?對人類有何影響?新華社記者4日就以上問題採訪了張清和教授。

如何發現:用“十八般兵器”找到“太空颱風”

  記者:你們是如何找到“太空颱風”蹤跡的?

  張清和:我們團隊長期從事極區空間物理學研究,在極光等空間物理現象研究上積累了豐富的經驗和數據,並熟練掌握了如何利用眾多“利器”,其中包括月球軌道衛星、電離層衛星和我國南北極地面台站等。近幾年我們一直在這些“利器”獲取的數以萬計的極光圖像等數據中尋找“太空颱風”等現象的蹤跡。

  其中,發生在2014年8月20日北極磁極點附近類似颱風氣旋狀、寬度超過1000公里的極光亮斑引起了我們的注意。眾所周知,極光大都發生在緯度較低的極光橢圓內,磁極點附近的極蓋區通常不會有明顯的極光。而這次亮度比極光橢圓內的極光還強,可以肯定不是人們日常見到的極光。

  對此,我們與國內外學者合作,利用先進的觀測設備和計算機數值模擬展開了系統研究。我們發現這一現象具有與颱風非常類似的特徵,包括圓形的等離子體對流和速度為零的“颱風眼”、圓形的磁場擾動、強電子“雨”等。因此,我們將這一新觀察到的現象命名為“太空颱風”。

  通過與中國科學院國家空間科學中心王赤院士團隊合作,利用高解像度三維磁流體力學模型進行計算機數值模擬,完美重現了這一現象及其三維形態,並揭示了它的形成機理。

  記者:為什麼以前科學家一直沒有觀察到?

  張清和:科學家曾在太陽、火星、木星和土星的低層大氣中觀察到了類似颱風的現象,但在高層大氣中是否存在類似颱風的現像一直不得而知。

  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,如果真的存在颱風現象,將預示著一次非常高效率的日地能量耦合過程。

  然而,在極端平靜的地磁活動條件下,太陽風與地球磁層的能量耦合非常弱,幾乎被人們忽略,此前也很少在這些區域布設相關地磁活動監測設備。高層大氣空間浩大、環境惡劣、觀測缺乏,因此之前沒有覓得“太空颱風”蹤影。

如何形成:初步揭示“太空颱風”形成機製

  記者:“太空颱風”與低層大氣的颱風在形成上有何不同?

  張清和:低層大氣的颱風現象源於下方的驅動(熱帶海洋上方潮濕空氣上升造成的潛熱通量),“太空颱風”則源於極端平靜的行星際條件下太陽風與磁層的相互作用,它可能是宇宙中有等離子體和固有磁場星體的普遍現象。

  記者:“太空颱風”形成機製是怎樣的呢?

  張清和:在長時間極端平靜期內,發生在地球高緯度的磁層與太陽風相互作用及其演化,促使在北極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。這個結構形成了太陽風帶電粒子直接進入地球中高層大氣、地球帶電粒子逃逸至磁層的通道,極大提升了太陽風-磁層能量的耦合效率。

 有何價值:增進新知並攸關人類實際利益

  記者:發現“太空颱風”有哪些科學意義?

  張清和: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,這更新了人們對太陽風-磁層-電離層耦合過程的認識。

  記者:“太空颱風”對人類有何影響?

  張清和:一方面,“太空颱風”造成的極端空間天氣環境,可能直接影響相關區域的衛星和火箭的正常運行,也能給相關航線的飛機乘客帶來較大輻射劑量。

  另一方面,“太空颱風”也將直接影響相關區域的衛星通信、導航和超視距雷達探測等,造成信號的劇烈擾動,甚至丟失。

  我們將繼續研究,找到“太空颱風”的相關規律,並嚐試進行建模預報,以合理規避其相關風險和改善通信導航質量。

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