北京时间2024年5月20日，香港大学地球科学系行星科学课题组张彬铮教授和尧中华教授共同领导的研究团队在Nature Astronomy杂志上发表题为“A unified framework for global auroral morphologies of different planets”的研究论文。

  该研究探讨了地球、木星和土星等行星多样性极光的基本规律。通过三维磁流体力学模型，发现行星旋转驱动的共转电势和太阳风驱动的重联电势之间的竞争决定了行星极光形态的结构。这一统一的理论框架可以重现从地球到土星和木星上不同类型的极光形态。这项研究结果为理解恒星风-行星磁场相互作用的基本图像提供了新的见解，提出的“超级旋转地球”新图像亦可应用于对系外行星系统的研究。

 极光是大自然最神秘的发光现象并传递着太空中的重要环境信息。关于极光的记录也伴随着不同的人类文明传承和发展了数千年。在科技高度发展的今天，极光除了带给我们惊艳的视觉享受，还是人类太空活动需要重点关注的研究内容。在今年5月10日至12日期间爆发了近20年来最强的极光事件，带给我们震撼感受的同时也让我们对其背后对应的空间天气高度关注。极光并不是地球的土特产，只要有大气的行星就都可以预期极光现象的存在，而太阳系最强的极光辐射在土星和木星上。土星和木星的极光是太阳系最受关注的地外极光现象，也被哈勃太空望远镜和卡西尼飞船等先进设备进行了数十年的详细探测分析。丰富的观测数据显示，地球、土星和木星的极光虽然都发生在极区附近，但其主体结构存在显著的差异 （图1）。这三个行星在许多方面都不同，包括磁场强度、自转速度、太阳风条件、天然卫星地质活动等。之前并不清楚这些不同条件与几十年来观察到的不同极光结构之间的关系。

图 1：太阳-行星磁层相互作用的相关行星参数。a) 行星参数表。b-d) 行星磁层示意图。e) 来自 IMAGE FUV/WIC 数据的典型地球极光形态。f-h) 来自哈勃太空望远镜观测的土星动态极光形态21。i) 来自 Juno-UVS 数据的木星极光形态。

通过超级计算机进行的三维磁流体力学计算，作者评估了这些不同条件在控制行星主要极光结构中的相对重要性。结合太阳风条件和行星自转，他们定义了一个新的物理参数，即电势比参数RΦ，作为主要极光结构的控制因素，该参数为太阳风重联电势Φrecon与行星共转电势Φcoro的比值：

式中，BSW、uSW和ρSW为上游太阳风磁场、速度和密度，ΩE和BE为行星在一个半径（RE）位置的自转频率和磁场强度。

图2:地球模拟中的阿尔芬卵（表征波动极光）随RΦ值的变化。80° MLAT 以上极磁层的开放百分比与RΦ值高度相关，对应于不同的极光形态。蓝线和红线表示使用图1a 中观测参数计算的真实木星和土星的RΦ值。绿色轮廓内的区域是开放磁场。

  通过控制模拟实验，调整地球模拟中的RΦ值，研究人员得到了一系列与极区极光形态相对应的图像（图2）。当RΦ值从地球的平均值（0.1）逐渐增加到土星的平均值（0.4）以及木星的平均值（10.8）时，模拟给出的地球极光形态逐渐从地球型演化为动态的土星型极光，再到木星型极光，这与图1的观测结果完全吻合。

  这一统一的理论框架能够重现从地球型到木星型的极光形态（图3），以及土星动态变化的极光形态。该理论图像被称为“超级旋转地球”，可为理解行星能量耗散和基本等离子体过程提供了重要的参考依据。成果可应用于理解天王星、海王星，乃至太阳系外行星的空间环境。通过深入了解极光背后的基本磁层物理学，科学家们可以揭示有关这些令人着迷的极光新知识，进一步丰富我们对行星空间环境的理解。

  论文第一作者张彬铮教授表示：我们的研究揭示了太阳风与行星自转之间的复杂相互作用，为深入了解不同行星上的极光现象提供了统一的物理框架。项目合作者、比利时列日大学天体研究中心负责人Denis Grodent教授也分享了他的见解：自1979年以来，我们已经认识到地球和木星的极光存在差异，并一直是相互独立地进行研究。现在令人惊讶的是，这些显著差异的行星极光竟能被一个统一的框架所解释。

图3: 木星（左）和地球（右）极光的示意图。除了类似的极光卵结构，木星极盖区有明亮的极光，而地球极盖区是暗的，这与磁力线开发/闭合有关。

论文的第一作者为张彬铮教授，通讯作者为尧中华教授，研究助理教授陈俊杰为论文作出重要贡献，香港大学与西北大学地球与行星科学联合中心为论文的第一单位。

相关论文信息：

https://www.nature.com/articles/s41550-024-02270-3