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。

近年来，我们的研究发现极盖区存在一种有别于传统等离子体云块（冷而密，冷等离子体云块Cold patch）的新型热而密的等离子体云块，称之为热等离子体云块（Hot patch）[Zhang et al., 2017]。Hot patch与Cold patch相比，具有较高的电子温度，能够引起更强的电离层闪烁，对极区空间天气的影响更大，更危险[Zhang et al., 2017]。因而，非常有必要系统对比研究这两类等离子体云块。前期，通过统计分析，我们找到了一种区分冷和热等离子体云块的判据：离子温度与电子温度的比值大于0.8（Ti/Te > 0.8）为Cold patch；反之则为Hot patch[Ma et al., 2018]。

基于上述前期工作，我们（张端、张清和等）利用DMSP F16卫星一个太阳活动周以上（2005-2018 年）的就位等离子体观测数据，识别出了北半球(NH)的4994个冷等离子体云块和5694个热等离子体云块（典型事例如图1所示），对比研究冷/热等离子体云块的关键特征对太阳活动和地磁活动的依赖性。研究发现：（1）冷等离子体云块的发生对太阳活动和地磁活动呈明显依赖性关系，而热等离子体云块则没有这种依赖性（如图2所示）。（2）在北半球冬季，冷和热等离子体云块的空间尺度随着太阳（地磁）活动而减小（增加）（如图3c,3g所示）。（3）在北半球冬季，在类似的太阳活动和地磁活动下，冷等离子体云块的空间尺度似乎要大于热等离子体云块（如图3c-d, 3g-h所示）。这一工作深入理解太阳活动和地磁活动对冷/热等离子体云块形成和演化过程的影响，十分有利于极区电离层建模和空间天气建模预报。

该项研究结果已在Geophysical Research Letters在线发表（Zhang Duan, et al., 2021，JCR和中科院地学1区，IF=4.72）。该工作主要由山东大学空间科学研究院、挪威Bergen University、美国UCLA及美国JHUAPL等单位研究人员合作完成。感谢NOAA、Madrigal、SILSO及SuperMAG提供的观测数据。该研究受国家自然科学基金项目、中国电波传播研究所项目及子午工程等资助。文章链接：https://doi.org/10.1029/2021GL094526

参考文献：

Zhang, Q. -H., Ma, Y. -Z., Jayachandran, P. T., Moen, J., Lockwood, M., Zhang, Y.‐L., et al. (2017), Polar cap hot patches: Enhanced density structures different from the classical patches in the ionosphere, Geophysical Research Letters, 44, 8159–8167. doi:10.1002/2017GL073 439

Ma, Y. -Z., Zhang, Q. -H., Xing, Z. -Y., Heelis, R. A., Oksavik, K., & Wang, Y. (2018), The Ion/Electron Temperature Characteristics of Polar Cap Classical and Hot Patches and Their Influence on Ion Upflow. Geophysical Research Letters, 45(6):8072-8080. doi:10.1029/2018GL079099

Zhang, D., Q.-H. Zhang, Y. -Z. Ma, K. Oksavik, L. R. Lyons, Y. -L. Zhang, B. Nanan, Z. -Y. Xing, Jing Liu, Marc Hairston, X. -Y. Wang (2021), Solar and Geomagnetic Activity Impact on Occurrence and Spatial Size of Cold and Hot Polar Cap Patches, Geophysical Research Letters, 48, e2021GL094526, doi: 10.1029/2021GL094526

图1.  2012年1月30日DMSP F16穿越极区时观测到的冷/热等离子体云块（自 Zhang等人（2017）修改）。黑色虚线标识了极盖区边界，带有红色虚线的灰色阴影区域标识了两个等离子体云块。从上到下，(a)总离子和O⁺密度，(b)离子和电子温度，(c)横向垂直和水平离子流，(d)电子能量通量，(e)离子能量流。

图2. 太阳黑子数（左列）/AE指数（右列）与2005-2018期间每个月云块数的比较。图2a-2b和图2c-2d分别展示了冷等离子体云块和热等离子体云块的依赖性。

图3. 冬季等离子体云块发生/空间尺度和太阳黑子数/AE指数之间的关系，标识阴影误差条（从四分之一分位数到四分之三分位数）。图3a-3d是冷等离子体云块，图3e-3h是热等离子体云块。