齊魯網(wǎng)·閃電新聞2月23日訊 低層大氣中發(fā)生的強(qiáng)烈熱帶氣旋被稱為臺(tái)風(fēng)或颶風(fēng)。那么，在地球或者其他行星的高層大氣中，是否也存在類(lèi)似的現(xiàn)象？

近日，山東大學(xué)空間科學(xué)研究院教授張清和領(lǐng)導(dǎo)的國(guó)際團(tuán)隊(duì)最新研究成果在《自然·通訊》（Nature Communications）上發(fā)表，并被《自然》（Nature）選為了研究亮點(diǎn)，該研究中，科學(xué)家首次在地球極區(qū)電離層與磁層發(fā)現(xiàn)了類(lèi)似臺(tái)風(fēng)或颶風(fēng)的現(xiàn)象，并將其命名為“太空臺(tái)風(fēng)（Space hurricane）”，且揭示了其形成機(jī)制。

在空間科學(xué)家看來(lái)，與低層大氣的中性粒子環(huán)境不同的是，高層大氣（磁層和電離層）屬等離子體（帶電粒子）環(huán)境，如果真的存在臺(tái)風(fēng)或颶風(fēng)現(xiàn)象，將預(yù)示著一次非常高效率的日地能量耦合過(guò)程。“發(fā)現(xiàn)高層大氣的這種特殊現(xiàn)象，將更新人們對(duì)太陽(yáng)風(fēng)-磁層-電離層耦合過(guò)程的認(rèn)識(shí)。”張清和告訴《中國(guó)科學(xué)報(bào)》，“因此，全球科學(xué)家一直在努力尋覓它的蹤影。”

不過(guò)，由于高層大氣空間浩大、環(huán)境惡劣，長(zhǎng)期以來(lái)這一區(qū)域內(nèi)觀測(cè)缺乏，類(lèi)似臺(tái)風(fēng)或颶風(fēng)的現(xiàn)象一直沒(méi)有現(xiàn)身。

針對(duì)這一科學(xué)挑戰(zhàn)，近年來(lái)張清和帶領(lǐng)團(tuán)隊(duì)與國(guó)內(nèi)外研究者合作，利用系列先進(jìn)的觀測(cè)設(shè)備或裝置以及計(jì)算機(jī)數(shù)值模擬，展開(kāi)了系統(tǒng)研究。研究團(tuán)隊(duì)所采用的“利器”包括月球軌道衛(wèi)星、電離層衛(wèi)星和我國(guó)南北極地面臺(tái)站等，以及中科院空間中心對(duì)相關(guān)事件的高時(shí)空分辨率三維太陽(yáng)風(fēng)-磁層-電離層耦合磁流體力學(xué)模擬。

2014年8月20日出現(xiàn)在北極的一種巨型極光亮斑引起研究人員的高度關(guān)注。當(dāng)時(shí)，正處于一次長(zhǎng)時(shí)間的地磁極端平靜條件下，地球北極磁極點(diǎn)附近出現(xiàn)類(lèi)似于臺(tái)風(fēng)氣旋狀的極光亮斑結(jié)構(gòu)，其水平尺度超過(guò)1000公里。

“通常情況下，磁極點(diǎn)附近的極蓋區(qū)是沒(méi)有明顯極光的，極光大都發(fā)生在緯度較低的極光橢圓內(nèi)。”張清和指出，“而它的亮度比極光橢圓內(nèi)的極光要強(qiáng)得多，所以顯然這個(gè)亮斑不是我們見(jiàn)過(guò)的極光。”

更為全面地觀測(cè)數(shù)據(jù)表明，該結(jié)構(gòu)伴隨有明顯的強(qiáng)的亮斑狀上行場(chǎng)向電流、強(qiáng)等離子體對(duì)流渦旋剪切、離子上行、局部電子溫度上升1000K 以上、先負(fù)后正的雙極磁場(chǎng)結(jié)構(gòu)、沉降電子被加速到10keV以上、堪比超級(jí)磁暴的電子沉降能通量等特點(diǎn)。

對(duì)此，研究人員認(rèn)為，其與臺(tái)風(fēng)或颶風(fēng)的特征非常類(lèi)似，包括中心處“臺(tái)風(fēng)眼”的等離子體速度接近為0、預(yù)示著磁場(chǎng)存在圓形擾動(dòng)等。因此，他們將這一從未觀察到的新現(xiàn)象命名為“太空臺(tái)風(fēng)”。

研究人員還經(jīng)過(guò)進(jìn)一步觀測(cè)與模擬對(duì)比分析揭示了“太空臺(tái)風(fēng)”形成的機(jī)制。這一長(zhǎng)時(shí)間極端平靜期內(nèi)，發(fā)生在地球高緯磁層頂?shù)妮^為穩(wěn)定的尾瓣磁場(chǎng)重聯(lián)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(diǎn)上方的電離層與磁層形成了一個(gè)巨大的順時(shí)針旋轉(zhuǎn)的漏斗形磁螺旋結(jié)構(gòu)。該結(jié)構(gòu)形成了太陽(yáng)風(fēng)帶電粒子直接進(jìn)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(yáng)風(fēng)-磁層能量的耦合效率。同時(shí)，該結(jié)構(gòu)所引起的極端空間天氣環(huán)境，也能直接影響相關(guān)區(qū)域內(nèi)的無(wú)線通訊導(dǎo)航與定位、超視距雷達(dá)探測(cè)和衛(wèi)星的正常運(yùn)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(qū)仍可能存在堪比超級(jí)磁暴活動(dòng)時(shí)的局地劇烈地磁擾動(dòng)和能量注入現(xiàn)象，這更新了人們對(duì)極端平靜條件下太陽(yáng)風(fēng)-磁層-電離層耦合過(guò)程的認(rèn)識(shí)。