空间科学与技术学院刘晶教授合作研究团队在亚极光区稳定红弧（SAR arcs）形成机理研究方面取得突破性进展。相关成果发表于地球与空间科学领域顶级期刊《AGU Advances》，论文第一作者和通讯作者为刘晶教授。合作团队成员包括山东大学教授陈耀、博士研究生曹天宇，中科院地质与地球物理研究所研究员刘立波，美国家大气研究中心、卡尔加里大学、波士顿大学等国际机构的学者。

图1.（A）磁暴期间SAR arc形成机理示意图，展示了极光粒子沉降区（绿色）、等离子体层（浅红色）及其边界层（红色）的相对位置。（B）驱动SAR弧发光的两种核心能量输入过程：磁层源热通量（蓝色箭头，代表来自等离子体层的能量沿磁力线向下传导）和SAPS引起的离子-中性成分摩擦加热（红色区域）。

  SAR arcs是地球亚极光区一种特殊的红色辉光现象，由原子氧在630.0 nm波段的辐射产生，通常出现在磁暴期间。传统理论认为其完全由磁层软电子沉降加热电离层所致，但近年观测发现SAR arcs与亚极光区极化流（SAPS）等电离层动力学过程密切相关，暗示可能存在多能量来源的竞争与协同机制。

图2. 亚极区电离层动力学与红光630 nm气辉模拟的极坐标视图。（A）2015年3月17日世界时09:00的模拟向东离子速度（填色）与DMSP F17/F19和Swarm B卫星观测的跨轨速度（符号）对比。（B–D）模拟的SAPS通道内红光气辉的高度积分强度差值（已扣除背景），分别对应（B）仅由电离层摩擦加热、（C）仅由磁层热通量、（D）两者共同作用所产生。

  该研究基于自主发展的热层-电离层耦合模型，结合DMSP、Swarm及范艾伦探测卫星等多平台观测数据，对2015年3月圣帕特里克节强磁暴事件进行了系统分析。研究显示，在磁暴主相期间，南半球出现的SAR弧与高速亚极光区极化流（SAPS）密切相关，该区域电子温度显著升高至6000–8000 K；而在恢复相期间，北半球观测到的SAR弧持续约九小时，虽未伴随明显的SAPS活动，但有显著的低能电子沉降现象。模拟结果表明SAPS驱动的高速等离子体流动可通过离子-中性粒子摩擦产生局部加热，从而独立激发红弧发光，其辐射强度可达数百瑞利。磁层热流沉积导致的发光层分布范围较广，主要位于280公里以上高度；而SAPS相关的摩擦加热则集中于250–400公里高度区间，二者在空间结构和物理机制上存在显著差异。

  这一发现建立了SAR弧生成的“双驱动”模型，揭示了磁层能量和电离层自生能量在亚极光区的竞争与协同机制。该成果不仅深化了对地球空间跨尺度相互作用的理解，也为解释类地行星的类似光学现象提供了新思路。

  本研究工作获得山东省杰出青年基金（ZR2022JQ18）与国家自然科学基金(42030202)资助。