近日，空间科学攀登团队电离层-磁层耦合课题组，在极盖区等离子体云块演化过程研究方面取得新进展，成果以“Multi-Instrument Observations of the Evolution of Polar Cap Patches Associated With Flow Shears and Particle Precipitation”为题在Journal of Geophysical Research（JGR）: Space Physics在线发表（Zhang Duan, et al., 2023，JCR和中科院2区）。课题组博士研究生张端为第一作者，课题组长张清和教授为论文通讯作者，挪威卑尔根大学教授Kjellmar Oksavik等作出重要贡献。

极区是地球开向太空的天然窗口，是日地能量耦合的关键区域，地球磁力线在极区高度汇聚且垂直进出。太阳风和地球磁层相互作用产生的效应可以直接映射到极区电离层，产生众多的不均匀体结构。磁暴期间中纬电离层存在的大尺度不均匀体结构（暴时密度增强），在受到地球自转和电离层对流影响后，部分被“甩”成一个“舌状”的窄带，被称为舌状电离区，进而又通过磁层-电离层耦合作用被切割成等离子体云块。等离子体云块作为极区最常见的不均匀体结构，密度通常比背景高两倍以上，其形成和演化过程会对人类的通讯设备和航天系统等造成很大的危害。因此，对等离子体云块的研究一直是空间物理学的前沿课题，对其研究也十分有助于深入理解磁层-电离层耦合过程及空间天气建模和预报。

本研究利用2015年12月12日14:20-14:50 UT期间DMSP卫星、全天空成像仪、GPS TEC和SuperDARN等的联合观测数据，揭示了舌状电离区/等离子体云块的演化过程和关键特征，揭示了电离层动力学(如对流剪切、粒子沉降等)在舌状电离区演化(或重构)成等离子体云块中的重要作用。

在等离子体云块从演化过程中，六颗卫星穿过了该等离子体云块，均观测到了密度增强，并对应了全天空成像仪观测到的极光弧结构（如图1所示）。该等离子体云块起初表现为热云块特征（高密度，高电子温度）并伴随软电子沉降，然后变成冷热混合云块，最后变成冷云块（高密度，低电子温度）（如图2.3所示）。这表明冷云块可以由太阳远紫外辐射产生的高密等离子体形成，也可以由热云块冷却形成。由后者产生的冷云块更靠近夜侧，因为热等离子体云块冷却需要一段时间。电离层动力学过程（如软电子沉降、对流剪切）在该过程中，对云块密度、温度等等离子体参量产生了重要影响，如软电子沉降引起了云块电子温度的升高、局地向阳流从夜侧带来了低密度等离子体，加速了云块密度的降低等。这一工作深入理解了等离子体云块的演化过程，并指出了电离层动力学过程对等离子体云块的重要作用，十分有利于极区电离层建模和空间天气建模预报。

近年来，空间科学攀登团队极区电离层-磁层耦合课题组积极参与子午工程等国家重大任务，聚焦极区电离层-磁层耦合及其空间天气效应等前沿科学问题，取得了系列研究成果，先后在Science、PNAS、Nature Communications、GRL、JGR等上发表学术论文100余篇，多篇被选为Science, Nature和JGR的研究亮点或封面，并受邀撰写美国地球物理学会（AGU）专著章节1篇等。该项研究得到国家自然科学基金和子午工程等项目资助。

文章链接：https://agupubs.onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1029/2023JA032176

图1. 2015年12月12日14:20-14:50 UT期间一系列的GPS TEC图像，叠加了SuperDARN 对流模式、Resolute Bay 全天空成像仪 630.0 nm 波段极光发射和DMSP卫星电子密度的大小(以圆圈表示)。RSB ASI 观测中的洋红色线是对应于 300 瑞利发射强度线。

图2. (a) DMSP F17 SSUSI的极光观测，并叠加了DMSP F16-F19和Swarm A-C的轨迹。青色线标记了云块的位置。(b1-b4) DMSP F16-F19观测到的等离子体密度以及 (c1-c4) 离子交叉轨道(水平)速度(Vy)。红色垂直虚线表示云块的范围。绿色垂直虚线标记了增强的极光发射位置(极光弧)。

图3. (a1-a4) DMSP F19、F17和F16观测到的离子和电子温度以及(b1-b4)电子能量通量。红色和绿色垂直虚线与图2中含义相同。