我国学者与海外合作者在地球弥散极光形成机制研究方面取得进展

　　

图1 Van Allen 卫星观测的合声谐波及电子的“蛋糕型”分布

图2 合声波及其二次谐波共同散射致使弥散极光电子沉降示意图

　　在国家自然科学基金项目（批准号：41925018、42104148、41874194）等资助下，武汉大学袁志刚教授团队、中山大学俞江副教授联合德国地球科学研究中心、美国洛斯阿拉莫斯国家实验室合作，在合声谐波产生弥散极光研究方面取得进展。研究成果以“低波段合声谐波驱动弥散极光沉降（Diffuse auroral precipitation driven by lower-band chorus second harmonics）”为题，于2023年1月27日发表在《自然?通讯》（Nature Communications）上，论文链接：https://www.nature.com/articles/s41467-023-36095-x。

　　弥散极光是地球磁层物质和能量向高层大气输运的重要标志之一，是地球圈层耦合研究的前沿热点。一般认为，弥散极光是由地球磁层中常规双波段合声波共同散射效应致使磁层电子落入损失锥并沉降至大气层所导致。然而，合声波的上下两个波段并不总是同时出现，空间上的分离将很大程度上降低其共同散射效应的效率。因此，寻找新的形成机制渠道，成为弥散极光研究方面亟需解决的关键。

　　针对这一科学问题，研究团队通过磁层卫星Van Allen Probes和电离层卫星NOAA的联合观测，发现弥散极光电子沉降的同时，磁层中共轭位置上并未有常规的双波段合声波。取而代之的是下波段合声波及其二次谐波。与互不关联的常规双波段合声波不同的是，二次谐波与下波段合声波存在空间上一一对应，且存有因果关联（图1a-b）。这样的因果关联使得二者在空间上成对出现，为共同散射效应提供了绝佳的条件。在此基础上，该研究给出合声波自洽产生二次谐波的优先条件，并利用高精度卫星实测数据的统计结果进行了验证（图1c），为估量二次谐波对磁层粒子的作用提供了理论基础和观测支撑。研究团队进一步结合准线性共振扩散理论和Fokker-Planck模拟，证实了二次谐波可以替代常规上波段合声波与下波段合声波通过共同散射致使磁层电子沉降，导致磁层电子随投掷角的蛋糕型分布（图1d），驱动弥散极光的形成（图2）。

　　该研究结果提出了地球弥散极光形成的新途径，提升了对行星弥散极光的认识，为理解地球圈层耦合提供了新思路。