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“太空臺(tái)風(fēng)”是如何被我國(guó)科學(xué)家首次發(fā)現(xiàn)的？
來(lái)源： 新華網(wǎng)
作者：南皮縣產(chǎn)學(xué)研科技成果中服務(wù)中心
日期：
2021-05-05
低層大氣中會(huì)出現(xiàn)強(qiáng)烈熱帶氣旋臺(tái)風(fēng)，高層大氣中是否也會(huì)出現(xiàn)“臺(tái)風(fēng)”？近日，我國(guó)空間物理學(xué)家、山東大學(xué)空間科學(xué)研究院張清和教授率領(lǐng)的國(guó)際研究團(tuán)隊(duì)，首次在北極上空發(fā)現(xiàn)了類似臺(tái)風(fēng)的“太空臺(tái)風(fēng)”。這一最新研究成果被《自然·通訊》在線發(fā)表，并被《自然》選為研究亮點(diǎn)。
“太空臺(tái)風(fēng)”是如何被發(fā)現(xiàn)的？這一發(fā)現(xiàn)有何科學(xué)價(jià)值？對(duì)人類有何影響？新華社記者4日就以上問(wèn)題采訪了張清和教授。
如何發(fā)現(xiàn)：用“十八般兵器”找到“太空臺(tái)風(fēng)”
記者：你們是如何找到“太空臺(tái)風(fēng)”蹤跡的？
張清和：我們團(tuán)隊(duì)長(zhǎng)期從事極區(qū)空間物理學(xué)研究，在極光等空間物理現(xiàn)象研究上積累了豐富的經(jīng)驗(yàn)和數(shù)據(jù)，并熟練掌握了如何利用眾多“利器”，其中包括月球軌道衛(wèi)星、電離層衛(wèi)星和我國(guó)南北極地面臺(tái)站等。近幾年我們一直在這些“利器”獲取的數(shù)以萬(wàn)計(jì)的極光圖像等數(shù)據(jù)中尋找“太空臺(tái)風(fēng)”等現(xiàn)象的蹤跡。
其中，發(fā)生在2014年8月20日北極磁極點(diǎn)附近類似臺(tái)風(fēng)氣旋狀、寬度超過(guò)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(fā)生在緯度較低的極光橢圓內(nèi)，磁極點(diǎn)附近的極蓋區(qū)通常不會(huì)有明顯的極光。而這次亮度比極光橢圓內(nèi)的極光還強(qiáng)，可以肯定不是人們?nèi)粘Ｒ?jiàn)到的極光。
對(duì)此，我們與國(guó)內(nèi)外學(xué)者合作，利用先進(jìn)的觀測(cè)設(shè)備和計(jì)算機(jī)數(shù)值模擬展開(kāi)了系統(tǒng)研究。我們發(fā)現(xiàn)這一現(xiàn)象具有與臺(tái)風(fēng)非常類似的特征，包括圓形的等離子體對(duì)流和速度為零的“臺(tái)風(fēng)眼”、圓形的磁場(chǎng)擾動(dòng)、強(qiáng)電子“雨”等。因此，我們將這一新觀察到的現(xiàn)象命名為“太空臺(tái)風(fēng)”。
通過(guò)與中國(guó)科學(xué)院國(guó)家空間科學(xué)中心王赤院士團(tuán)隊(duì)合作，利用高分辨率三維磁流體力學(xué)模型進(jìn)行計(jì)算機(jī)數(shù)值模擬，完美重現(xiàn)了這一現(xiàn)象及其三維形態(tài)，并揭示了它的形成機(jī)理。
記者：為什么以前科學(xué)家一直沒(méi)有觀察到？
張清和：科學(xué)家曾在太陽(yáng)、火星、木星和土星的低層大氣中觀察到了類似臺(tái)風(fēng)的現(xiàn)象，但在高層大氣中是否存在類似臺(tái)風(fēng)的現(xiàn)象一直不得而知。
與低層大氣的中性粒子環(huán)境不同，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)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。
然而，在極端平靜的地磁活動(dòng)條件下，太陽(yáng)風(fēng)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(qū)域布設(shè)相關(guān)地磁活動(dòng)監(jiān)測(cè)設(shè)備。高層大氣空間浩大、環(huán)境惡劣、觀測(cè)缺乏，因此之前沒(méi)有覓得“太空臺(tái)風(fēng)”蹤影。
如何形成：初步揭示“太空臺(tái)風(fēng)”形成機(jī)制
記者：“太空臺(tái)風(fēng)”與低層大氣的臺(tái)風(fēng)在形成上有何不同？
張清和：低層大氣的臺(tái)風(fēng)現(xiàn)象源于下方的驅(qū)動(dòng)（熱帶海洋上方潮濕空氣上升造成的潛熱通量），“太空臺(tái)風(fēng)”則源于極端平靜的行星際條件下太陽(yáng)風(fēng)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(chǎng)星體的普遍現(xiàn)象。
記者：“太空臺(tái)風(fēng)”形成機(jī)制是怎樣的呢？
張清和：在長(zhǎng)時(shí)間極端平靜期內(nèi)，發(fā)生在地球高緯度的磁層與太陽(yáng)風(fēng)相互作用及其演化，促使在北極磁極點(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)。這個(gè)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、地球帶電粒子逃逸至磁層的通道，極大提升了太陽(yáng)風(fēng)-磁層能量的耦合效率。
有何價(jià)值：增進(jìn)新知并攸關(guān)人類實(shí)際利益
記者：發(fā)現(xiàn)“太空臺(tái)風(fēng)”有哪些科學(xué)意義？
張清和：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)太陽(yáng)風(fēng)-磁層-電離層耦合過(guò)程的認(rèn)識(shí)。
記者：“太空臺(tái)風(fēng)”對(duì)人類有何影響？
張清和：一方面，“太空臺(tái)風(fēng)”造成的極端空間天氣環(huán)境，可能直接影響相關(guān)區(qū)域的衛(wèi)星和火箭的正常運(yùn)行，也能給相關(guān)航線的飛機(jī)乘客帶來(lái)較大輻射劑量。
另一方面，“太空臺(tái)風(fēng)”也將直接影響相關(guān)區(qū)域的衛(wèi)星通信、導(dǎo)航和超視距雷達(dá)探測(cè)等，造成信號(hào)的劇烈擾動(dòng)，甚至丟失。
我們將繼續(xù)研究，找到“太空臺(tái)風(fēng)”的相關(guān)規(guī)律，并嘗試進(jìn)行建模預(yù)報(bào)，以合理規(guī)避其相關(guān)風(fēng)險(xiǎn)和改善通信導(dǎo)航質(zhì)量。
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