摘要：
北京大学宗秋刚教授团队与合作者利用中国南极中山站全天空成像仪及高频雷达等设备的观测数据，发现存在中尺度的极光“卷曲状”结构，并提出其形成可能与磁层超低频波有关。研究结果为磁层中与超低频波有关物理过程的成像提供了新的思路。
正文：
极光的结构及演化含有磁层动力学过程的丰富信息，因此其在过去的数十年间被广泛的研究。其中，沿极光弧的涡旋状周期性结构被认为与磁层中的等离子体波动和不稳定性等有关。例如，千米尺度的“卷曲状”结构可能与横越场向电荷片的流剪切导致的Kelvin-Helmholtz不稳定性有关，而尺度约20千米的“折叠状”结构可由等离子体不稳定性的非线性演化及惯性Alfvén波等产生。
通过研究这类结构的产生及发展，可以推断磁层中发生物理现象的精细过程。然而，由于极光结构的复杂性和光学观测精度的限制，极光精细结构的研究仍是空间物理学的前沿课题。最近，北京大学宗秋刚教授团队利用中国南极中山站全天空成像仪及高频雷达的观测数据，结合活跃磁层和行星电动力学响应实验（Active Magnetosphere and Planetary Electrodynamics Response Experiment, AMPERE）与国防气象卫星项目（Defense Meteorological Satellite Program, DMSP）的辅助观测，发现存在中尺度（空间周期约150千米）的极光“卷曲状”结构，并提出其形成可能与超低频（ultra-low frequency, ULF）波有关。相关研究成果以《Mesoscale Auroral Curls in Antarctica》为题发表在学术期刊《Geophysical Research Letters》。
中国南极中山站于1989年建成。自2010年起，中山站的先进同步极光观测系统投入使用，并展开持续的观测。该系统包含一套多波段全天空极光成像观测部件，其可获得6个不同波段的成像数据，对全面理解极光的立体结构及造成其的沉降粒子环境十分重要。中山站的高频雷达是超级双子极光雷达网络（Super Dual Auroral Radar Network, SuperDARN）的一部分，其具有高时间分辨率的“扫频单束”模式和宽空间覆盖的“定频多束”模式，获取中山站附近的电离层不规则体速度场分布数据。
图一展示了中山站全天空成像仪观测到的中尺度极光卷曲结构及其相关性质。该极光结构主要可见于557.7纳米波段，而630.0纳米波段基本不可见。该极光卷曲的空间周期约为150千米，寿命约为2分钟。通过绘制沿极光弧的时序演化剖面，可知该极光卷曲沿弧西向运动。DMSP卫星的紫外成像结果表明，观测到的卷曲为多重极光弧极向边缘的精细结构。研究团队利用AMPERE对多重极光弧场向电流结构的观测，发现该多重弧所在区域在大尺度上对应于上行场向电流区域，而其更高及更低纬度区域对应于下行场向电流区域。除此之外，DMSP卫星的原位观测表明，多重极光弧结构自身对应于一系列经向排布的、上下行交替的小尺度场向电流对。极光弧对应于上行场向电流，而其间的暗隙则对应于下行场向电流。
通过分析中山站高频雷达的观测数据，研究团队发现中尺度极光卷曲附近的电离层不规则体多普勒速度以约300秒为周期准周期性振荡，如图二所示。该特征与ULF波驱动的E×B漂移一致。基于纬向结构、经向结构及时间结构与ULF波的相似性，研究团队提出中尺度极光卷曲的产生可能与ULF波有关。其“卷曲状”形态的产生，可能与多个不同相速度的ULF波发生波模叠加有关。
该研究表明磁层中全球尺度的ULF波可能与电离层高度的中尺度极光结构具有关联。研究结果为磁层中与ULF波有关物理过程的成像提供了新的思路，说明使用光学观测手段研究ULF波具有可行性，其对理解ULF波在全球磁层动力学中的作用有重要意义。
北京大学地球与空间科学学院空间物理与应用技术研究所博士研究生李星宇为本论文的第一作者，宗秋刚教授为通讯作者。其他合作者还包括北京大学王永福研究员、周煦之研究员、乐超研究员、汪珊研究员、孙翌馨博士，博士研究生解子康、尹泽藩，法国天体物理和行星科学研究所刘志扬博士，以及中国极地研究中心胡泽骏研究员、刘建军研究员、赵兴鑫研究员、赵华宇研究员。本工作得到了国家重点研发计划、国家航天局民用航天基金、子午工程、国家自然科学基金等项目的支持。
文章链接：https://doi.org/10.1029/2023GL107889
图一 中山站全天空成像仪观测到的中尺度极光卷曲结构及其相关性质。
图二 中尺度极光卷曲发生时段中山站高频雷达观测结果。
