中国科大揭示合声波主导弥散极光形成的原因

近日，中国科学技术大学地球和空间科学学院、深空探测实验室陆全明教授和高新亮特任教授研究团队结合多颗卫星联合观测以及计算机粒子模拟方法，揭示了地球内磁层中合声波主导极区弥散极光形成的内在原因。该研究成果以“Why chorus waves are the dominant driver for diffuse auroral precipitation”为题发表于《Science Bulletin》。

弥散极光是极区电离层能量输入的重要来源，是地球磁层与电离层之间的强耦合机制。地球磁层中等离子体波动通过共振散射使电子进入损失锥，进而沉降至大气层并与大气分子碰撞，最终形成弥散极光。哨声模合声波和静电电子回旋谐波（ECH波）被认为是引起弥散极光形成的两个最为重要的波模。如果依据理论推测，那么这两种波动在磁层中对弥散极光的贡献应该是相当的。然而，观测结果却表明，合声波主导了弥散极光的形成。如何解释这一矛盾，是目前亟待解决的科学难题。

通过美国的Van Allen Probe A卫星和DMSP卫星的联合观测发现，合声波和ECH波动具有相当的振幅强度，并且能够单独引起极区的电子沉降。更为重要的是，我们发现了一个长期以来被忽视的观测现象，两种等离子体波动的振幅存在显著的反相关关系（图1），即ECH波的振幅受到了合声波的强烈抑制。卫星统计结果进一步揭示，合声波对ECH波的抑制作用在全球范围内是普遍存在的（图2）。利用计算机粒子模拟方法和日本的Arase卫星数据，我们证实了合声波能够通过快速重塑电子分布来有效抑制ECH波。

这些研究结果表明，尽管合声波和ECH波动都能引起弥散极光，但由于合声波对ECH波的抑制作用，从而最终使得合声波成为了弥散极光形成的主要贡献者。合声波的主导地位是这两种波动相互作用的必然结果。这些新发现将推动我们对地球和其他行星上弥散极光现象的全面认知。

图1.VAP A和DMSP卫星的联合观测结果

图2.合声波和ECH波动的空间分布情况

中国科学技术大学高新亮特任教授和马玖琦（博士）为本文共同第一作者；中国科学技术大学陆全明教授为本文通讯作者。本工作得到国家自然基金重点项目、国家自然基金优青项目、中国科学院先导B和中国科大“仲英青年学者”项目的资助。

论文链接：https://doi.org/10.1016/j.scib.2023.12.009