中國科技大學揭示合聲波主導彌散極光形成的原因

近日，中國科學技術大學地球和空間科學學院、深空探測實驗室陸全明教授和高新亮特任教授研究團隊結合多顆衛(wèi)星聯(lián)合觀測以及計算機粒子模擬方法，揭示了地球內(nèi)磁層中合聲波主導極區(qū)彌散極光形成的內(nèi)在原因。該研究成果以“Why chorus waves are the dominant driver for diffuse auroral precipitation”為題發(fā)表于《Science Bulletin》。

彌散極光是極區(qū)電離層能量輸入的重要來源，是地球磁層與電離層之間的強耦合機制。地球磁層中等離子體波動通過共振散射使電子進入損失錐，進而沉降至大氣層并與大氣分子碰撞，最終形成彌散極光。哨聲模合聲波和靜電電子回旋諧波（ECH波）被認為是引起彌散極光形成的兩個最為重要的波模。如果依據(jù)理論推測，那么這兩種波動在磁層中對彌散極光的貢獻應該是相當?shù)?。然而，觀測結果卻表明，合聲波主導了彌散極光的形成。如何解釋這一矛盾，是目前亟待解決的科學難題。

通過美國的Van Allen Probe A衛(wèi)星和DMSP衛(wèi)星的聯(lián)合觀測發(fā)現(xiàn)，合聲波和ECH波動具有相當?shù)恼穹鶑姸?，并且能夠單獨引起極區(qū)的電子沉降。更為重要的是，我們發(fā)現(xiàn)了一個長期以來被忽視的觀測現(xiàn)象，兩種等離子體波動的振幅存在顯著的反相關關系（圖1），即ECH波的振幅受到了合聲波的強烈抑制。衛(wèi)星統(tǒng)計結果進一步揭示，合聲波對ECH波的抑制作用在全球范圍內(nèi)是普遍存在的（圖2）。利用計算機粒子模擬方法和日本的Arase衛(wèi)星數(shù)據(jù)，我們證實了合聲波能夠通過快速重塑電子分布來有效抑制ECH波。

這些研究結果表明，盡管合聲波和ECH波動都能引起彌散極光，但由于合聲波對ECH波的抑制作用，從而最終使得合聲波成為了彌散極光形成的主要貢獻者。合聲波的主導地位是這兩種波動相互作用的必然結果。這些新發(fā)現(xiàn)將推動我們對地球和其他行星上彌散極光現(xiàn)象的全面認知。

圖1：VAP A和DMSP衛(wèi)星的聯(lián)合觀測結果。

圖2：合聲波和ECH波動的空間分布情況。