“太空台风”是如何被我国科学家首次发现的

低层大气中会出现强烈热带气旋台风，高层大气中是否也会出现“台风”？近日，我国空间物理学家、山东大学空间科学研究院张清和教授率领的国际研究团队，首次在北极上空发现了类似台风的“太空台风”。这一最新研究成果被《自然·通讯》在线发表，并被《自然》选为研究亮点。

“太空台风”示意图。（受访者提供）

“太空台风”是如何被发现的？这一发现有何科学价值？对人类有何影响？新华社记者4日就以上问题采访了张清和教授。

如何发现：用“十八般兵器”找到“太空台风”

记者：你们是如何找到“太空台风”踪迹的？

张清和：我们团队长期从事极区空间物理学研究，在极光等空间物理现象研究上积累了丰富的经验和数据，并熟练掌握了如何利用众多“利器”，其中包括月球轨道卫星、电离层卫星和我国南北极地面台站等。近几年我们一直在这些“利器”获取的数以万计的极光图像等数据中寻找“太空台风”等现象的踪迹。

其中，发生在2014年8月20日北极磁极点附近类似台风气旋状、宽度超过1000公里的极光亮斑引起了我们的注意。众所周知，极光大都发生在纬度较低的极光椭圆内，磁极点附近的极盖区通常不会有明显的极光。而这次亮度比极光椭圆内的极光还强，可以肯定不是人们日常见到的极光。

对此，我们与国内外学者合作，利用先进的观测设备和计算机数值模拟展开了系统研究。我们发现这一现象具有与台风非常类似的特征，包括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、强电子“雨”等。因此，我们将这一新观察到的现象命名为“太空台风”。

中科院空间中心三维磁流体力学模拟的场向电流分布在磁层的三维切片图和在电离层的投影图，以及部分磁力线的三维分布图。（受访者提供）

通过与中国科学院国家空间科学中心王赤院士团队合作，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，并揭示了它的形成机理。

记者：为什么以前科学家一直没有观察到？

张清和：科学家曾在太阳、火星、木星和土星的低层大气中观察到了类似台风的现象，但在高层大气中是否存在类似台风的现象一直不得而知。

与低层大气的中性粒子环境不同，高层大气（磁层和电离层）属等离子体（带电粒子）环境，如果真的存在台风现象，将预示着一次非常高效率的日地能量耦合过程。

然而，在极端平静的地磁活动条件下，太阳风与地球磁层的能量耦合非常弱，几乎被人们忽略，此前也很少在这些区域布设相关地磁活动监测设备。高层大气空间浩大、环境恶劣、观测缺乏，因此之前没有觅得“太空台风”踪影。

如何形成：初步揭示“太空台风”形成机制

记者：“太空台风”与低层大气的台风在形成上有何不同？

张清和：低层大气的台风现象源于下方的驱动（热带海洋上方潮湿空气上升造成的潜热通量），“太空台风”则源于极端平静的行星际条件下太阳风与磁层的相互作用，它可能是宇宙中有等离子体和固有磁场星体的普遍现象。

“太空台风”的形成在极区电离层和磁层的示意图。（受访者提供）

记者：“太空台风”形成机制是怎样的呢？

张清和：在长时间极端平静期内，发生在地球高纬度的磁层与太阳风相互作用及其演化，促使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。

有何价值：增进新知并攸关人类实际利益

记者：发现“太空台风”有哪些科学意义？

张清和：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。

记者：“太空台风”对人类有何影响？

张清和：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，也能给相关航线的飞机乘客带来较大辐射剂量。

另一方面，“太空台风”也将直接影响相关区域的卫星通信、导航和超视距雷达探测等，造成信号的剧烈扰动，甚至丢失。

我们将继续研究，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信导航质量。（记者：刘诗平）