太阳不仅照亮了我们整个太阳系，还时时刻刻在朝四面八方喷射出名为“太阳风”的高速带电粒子流。这种带电粒子流携带着巨大的能量不断撞击着包括我们地球在内太阳系所有的星体。地球等行星具有的全球性磁场可以有效地阻挡和偏转大多数来自太阳大气的太阳风带电粒子的直接入侵。然而，地球极区是地球开向太空的天然窗口，地球磁力线在极区高度汇聚并几近垂直向太空开放，因而，太阳风所携带的高能粒子能直接“撞”进地球南北两极的大气层，形成美丽的极光。太阳风与地球磁层的相互作用引起的各类动力学过程也可以直接映射到极区电离层，使得极区电离层等离子体沉降、输运等过程极为复杂多变，并伴随着众多的不均匀体结构，其中极盖区等离子体云块（Polar

cap patch）最为常见。极区电离层等离子体云块是由密度高出背景两倍或两倍以上的等离子体团组成，其尺度从几百到几千公里不等。极区等离子体云块的形成和演化过程能给人类的通讯、导航、电力设施和航天系统等造成很大的危害，例如：这些结构所引起的极端空间天气环境能使得超视距无线通讯和卫星－地面间的通讯中断，也能直接影响近地飞行器（飞机、宇宙飞船等）和低轨卫星等的正常运行及其与地面的通讯等，甚至威胁到航天员的生命安全。因此，研究极区电离层等离子体云块如何形成和演化不仅有助于深入理解磁层－电离层耦合过程，也十分有利于空间天气建模和预报。

我们（张清和等）利用全球分布的GPS地面接收机获取的电离层总电子含量数据（TEC）和国际超级双子极光雷达网（SuperDARN）获取的极区电离层全域对流数据，结合美国国防气象卫星（DMSP）的观测数据，首次报道了在行星际磁场（IMF）突然发生变化时的一个极盖区等离子体云块（Polar

cap patch）新的演化过程。这一演化过程与经典演化图像完全不同。Polar

cap patch演化的经典图像是Polar

cap patch形成之后进入极盖区，沿着双涡对流元的流线从日侧向夜侧进行跨极盖逆阳运动，并在夜侧出极盖区进入极光卵区域。利用上述观测手段对这一等离子体云块从形成到演化、消失全过程的连续监测（图1），我们发现该云块是由亚暴产生的亚极光带极化流“切割”暴时密度增强羽状结构（storm

enhanced density plume）而形成；形成后，该云块并没有沿着正常对流元进行演化，而是短暂停顿后向午后对流元中心作逆阳运动。这主要是因为行星际磁场条件突然从强南向变为强东向和弱北向，致使高纬尾瓣重联的发生而在午后对流元中形成了一个反转对流涡，该云块在反向对流涡的作用下在午后正常对流元中向极盖区演化（图2）。该云块的形成、演化和消失整个过程持续仅仅40分钟，远短于等离子体云块通常情况下的演化时间2-3小时。这主要是因为反向对流涡的形成突然改变了等离子体对流方向，从而与局地中性风形成较大的速度方向差，而极大的增强等离子体复合率，使得该云块中的等离子体密度迅速减小所致（图3）。这一工作深入理解行星际磁场条件的突然变化对等离子体云块形成和演化过程的影响，十分有利于进一步完善极区电离层建模，将更好的服务于极区空间天气预报。

该项研究结果已被Journal

Geophysical Research（JGR）接受（Zhang Qing-He, et

al., In Press, 2016），将于近期发表。该研究受中国973项目、国家自然科学基金和山东省自然科学基金等的资助。

图1.极区全域GPS TEC和电离层对流时间序列演化图。电离层对流中的对流线（黑色实线）和漂移速度矢量（粉色箭头）来自于北半球的SuperDARN雷达观测，这一实际观测数据经过了map

potential算法处理。各图中点线是100km高度上的日夜分界线。图中蓝色圆圈标出了我们报道的polar

cap patch。更清晰动画请点击链接。

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图2.不同行星际磁场条件下日侧磁层顶磁场重联发生的位置及其引起极区电离层对流变化和等离子体云块演化过程示意图。

图3. polar cap patch新的形成和演化过程示意图。不同颜色覆盖区域表示不同源区的等离子体。a-d给出了舌状电离区（粉色区域）被来自于亚暴的亚极光带极化流（SAPS，绿色箭头线）携带的低密度等离子体（蓝色区域）切割从而形成等离子体云块（polar

cap patch）及这一patch随对流线的演化过程。