中国科学家首先发现的“太空台风”是怎么回事？丨Calling太空
2021/3/22 7:30:00 中科院之声
"浩瀚的空天还有许多未知的奥秘有待探索"，为此，中科院之声与中国科学院国家空间科学中心联合开设“Calling太空”科普专栏，为大家讲述有趣的故事，介绍一些与空间科学和航天相关的知识。
台风，是一种螺旋形的风暴，准确地说叫“热带气旋”。每年夏秋之交，台风频频光临我国东南沿海，对人类而言是一种灾害，天气预报上总是在讲它。
卫星云图中的、低层大气中的台风(图片来自网络)
虽然你我都生于地面、长在地面，但是，随着人类航天技术的发展，许许多多人类的飞船、卫星飞向了太空，太空当中的“天气变化”也开始受到关注。最近，有报道称中国的科学家张清和教授、王赤院士与合作团队首次发现了一种东西叫做“太空台风”，而且使用到的许多数据也包括来自中国自己建立的“子午工程”和数学模型。
今天，我们跟大家简单聊聊为什么大家接受这种东西被命名为太空的“台风”，以及子午工程的仪器怎么发现它的。
为什么起名叫“太空台风”？
咱们地面上的台风，刚才说了，是“热带气旋”，顾名思义，是起源于热带或副热带洋面上、发生在低层大气中的强烈低压涡旋，也就是旋转的风——按世界气象组织的定义，台风对应的中心持续风力要达到12级(即每小时118千米或以上)。台风往往伴随有狂风暴雨，影响人们的生产生活，给人类带来巨大财产损失，甚至是灾难。
太空里没有空气，何来的风呢？大家可能听过一种东西叫“太阳风”，它指的是从太阳上“吹”出来的带电粒子——等离子体。等离子体充斥着太阳与地球之间的太空，在电场、磁场等的驱使下，也同样有着流动变化。
科学家所命名的“太空台风”，主要是从形态上和台风非常类似。“太空台风”是在极端平静的地磁活动条件下发生的，它出现在地球北极磁极点附近，伴随有类似于台风气旋状的极光亮斑结构，该结构水平尺度超过1000公里。众所周知，极光大都发生在纬度较低的极光椭圆内，在磁极点附近通常不会有明显的极光。而“太空台风”所伴随的极光亮斑结构的亮度比极光椭圆内的极光还强，可以肯定它不是人们日常见到的极光。
“太空台风”的极光示意图(图片来自网络)
除了台风气旋形状的极光之外，“太空台风”还伴随有圆形的等离子体对流和速度为零的“台风眼”、圆形的磁场扰动、强的电子“雨”等，这些特征都与台风非常类似。基于此，研究人员将这一从未观察到的新现象命名为了“太空台风”。
“太空台风”是怎么形成，又怎么被中国科学家发现？
中国科学家在北极上空的高层大气中看到的这种外形类似台风的自然现象。我们刚才说了，“太空台风”的特点在于气旋形状的极光，还有带电粒子、磁场扰动等的科学探测。这就需要位于接近北极圈的卫星、全天空照相机、雷达、磁强计等等科学仪器。
山东大学空间科学研究院的张清和教授领导的团队所采用的“利器”包括子午工程南极中山站的高频雷达及其它南北极区广泛覆盖的超级双子极光雷达网(Superdarn)、电离层卫星和月球轨道卫星等，它们联合提供了全球极区电离层大尺度对流和极光等的观测。
“子午工程”部署在极区的雷达(图片来自网络)
除了观测之外，中科院国家空间中心王赤院士的团队利用高分辨率三维磁流体力学模型进行计算机数值模拟，完美重现了这一现象及其三维形态，进而弄清了它是怎么形成的。
原来在长时间极端平静的地磁活动条件下，发生在地球高纬度的磁层与太阳风相互作用及其演化，使得在北极磁极点上方的电离层与磁层形成了一个巨大的顺时针旋转的漏斗形磁螺旋结构。这个结构形成了太阳风带电粒子直接进入地球中高层大气、地球带电粒子逃逸至磁层的通道，极大提升了太阳风-磁层能量的耦合效率。这一研究表明，在极端平静地磁条件下，极区仍可能存在堪比超级磁暴活动时的局地剧烈地磁扰动和能量注入现象，这更新了人们对太阳风-磁层-电离层耦合过程的认识。科学家们相信，太空的等离子体环境中的 “台风”，预示着一次非常高效率的太阳-地球的能量耦合过程。
“太空台风”会不会影响我们人类？
“太空台风”的观测成果不止是新奇，更是重大的科学发现，发表于 Nature Communications ，并被 Nature 和 Nature Communications 均选为研究亮点，引起了国内外主流媒体的密集关注。
我们老百姓又不生活在太空中，“太空台风”对我们人类有什么影响呢？
一方面，“太空台风”造成的极端空间天气环境，可能直接影响相关区域的卫星和火箭的正常运行及空间碎片的轨道稳定，也能给相关航线的飞机乘客带来较大辐射剂量——飞越北极的路径一直是重要的国际航线。另一方面，“太空台风”也将直接影响相关区域的卫星通讯、导航和超视距雷达探测等，造成信号的剧烈扰动，甚至丢失——说不定我们在欧洲、加拿大旅游手机没了信号，就是它捣的鬼。
研究人员表示将继续开展深入研究，找到“太空台风”的相关规律，并尝试进行建模预报，以合理规避其相关风险和改善通讯导航质量。
来源：中国科学院国家空间科学中心
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