低層大氣中會出現(xiàn)強烈熱帶氣旋臺風(fēng)，高層大氣中是否也會出現(xiàn)“臺風(fēng)”?近日，我國空間物理學(xué)家、山東大學(xué)空間科學(xué)研究院張清和教授率領(lǐng)的國際研究團隊，首次在北極上空發(fā)現(xiàn)了類似臺風(fēng)的“太空臺風(fēng)”。這一最新研究成果被《自然·通訊》在線發(fā)表，并被《自然》選為研究亮點。
“太空臺風(fēng)”是如何被發(fā)現(xiàn)的?這一發(fā)現(xiàn)有何科學(xué)價值?對人類有何影響?新華社記者4日就以上問題采訪了張清和教授。
如何發(fā)現(xiàn)：用“十八般兵器”找到“太空臺風(fēng)”
記者：你們是如何找到“太空臺風(fēng)”蹤跡的?
張清和：我們團隊長期從事極區(qū)空間物理學(xué)研究，在極光等空間物理現(xiàn)象研究上積累了豐富的經(jīng)驗和數(shù)據(jù)，并熟練掌握了如何利用眾多“利器”，其中包括月球軌道衛(wèi)星、電離層衛(wèi)星和我國南北極地面臺站等。近幾年我們一直在這些“利器”獲取的數(shù)以萬計的極光圖像等數(shù)據(jù)中尋找“太空臺風(fēng)”等現(xiàn)象的蹤跡。
其中，發(fā)生在2014年8月20日北極磁極點附近類似臺風(fēng)氣旋狀、寬度超過1000公里的極光亮斑引起了我們的注意。眾所周知，極光大都發(fā)生在緯度較低的極光橢圓內(nèi)，磁極點附近的極蓋區(qū)通常不會有明顯的極光。而這次亮度比極光橢圓內(nèi)的極光還強，可以肯定不是人們?nèi)粘Ｒ姷降臉O光。
對此，我們與國內(nèi)外學(xué)者合作，利用先進的觀測設(shè)備和計算機數(shù)值模擬展開了系統(tǒng)研究。我們發(fā)現(xiàn)這一現(xiàn)象具有與臺風(fēng)非常類似的特征，包括圓形的等離子體對流和速度為零的“臺風(fēng)眼”、圓形的磁場擾動、強電子“雨”等。因此，我們將這一新觀察到的現(xiàn)象命名為“太空臺風(fēng)”。
通過與中國科學(xué)院國家空間科學(xué)中心王赤院士團隊合作，利用高分辨率三維磁流體力學(xué)模型進行計算機數(shù)值模擬，完美重現(xiàn)了這一現(xiàn)象及其三維形態(tài)，并揭示了它的形成機理。
記者：為什么以前科學(xué)家一直沒有觀察到?
張清和：科學(xué)家曾在太陽、火星、木星和土星的低層大氣中觀察到了類似臺風(fēng)的現(xiàn)象，但在高層大氣中是否存在類似臺風(fēng)的現(xiàn)象一直不得而知。
與低層大氣的中性粒子環(huán)境不同，高層大氣(磁層和電離層)屬等離子體(帶電粒子)環(huán)境，如果真的存在臺風(fēng)現(xiàn)象，將預(yù)示著一次非常高效率的日地能量耦合過程。
然而，在極端平靜的地磁活動條件下，太陽風(fēng)與地球磁層的能量耦合非常弱，幾乎被人們忽略，此前也很少在這些區(qū)域布設(shè)相關(guān)地磁活動監(jiān)測設(shè)備。高層大氣空間浩大、環(huán)境惡劣、觀測缺乏，因此之前沒有覓得“太空臺風(fēng)”蹤影。
如何形成：初步揭示“太空臺風(fēng)”形成機制
記者：“太空臺風(fēng)”與低層大氣的臺風(fēng)在形成上有何不同?
張清和：低層大氣的臺風(fēng)現(xiàn)象源于下方的驅(qū)動(熱帶海洋上方潮濕空氣上升造成的潛熱通量)，“太空臺風(fēng)”則源于極端平靜的行星際條件下太陽風(fēng)與磁層的相互作用，它可能是宇宙中有等離子體和固有磁場星體的普遍現(xiàn)象。
記者：“太空臺風(fēng)”形成機制是怎樣的呢?
張清和：在長時間極端平靜期內(nèi)，發(fā)生在地球高緯度的磁層與太陽風(fēng)相互作用及其演化，促使在北極磁極點上方的電離層與磁層形成了一個巨大的順時針旋轉(zhuǎn)的漏斗形磁螺旋結(jié)構(gòu)。這個結(jié)構(gòu)形成了太陽風(fēng)帶電粒子直接進入地球中高層大氣、地球帶電粒子逃逸至磁層的通道，極大提升了太陽風(fēng)-磁層能量的耦合效率。
有何價值：增進新知并攸關(guān)人類實際利益
記者：發(fā)現(xiàn)“太空臺風(fēng)”有哪些科學(xué)意義?
張清和：這一研究表明，在極端平靜地磁條件下，極區(qū)仍可能存在堪比超級磁暴活動時的局地劇烈地磁擾動和能量注入現(xiàn)象，這更新了人們對太陽風(fēng)-磁層-電離層耦合過程的認(rèn)識。
記者：“太空臺風(fēng)”對人類有何影響?
張清和：一方面，“太空臺風(fēng)”造成的極端空間天氣環(huán)境，可能直接影響相關(guān)區(qū)域的衛(wèi)星和火箭的正常運行，也能給相關(guān)航線的飛機乘客帶來較大輻射劑量。
另一方面，“太空臺風(fēng)”也將直接影響相關(guān)區(qū)域的衛(wèi)星通信、導(dǎo)航和超視距雷達探測等，造成信號的劇烈擾動，甚至丟失。
我們將繼續(xù)研究，找到“太空臺風(fēng)”的相關(guān)規(guī)律，并嘗試進行建模預(yù)報，以合理規(guī)避其相關(guān)風(fēng)險和改善通信導(dǎo)航質(zhì)量。
