空間中心提出新的亞暴唯象理論模型

　　亞暴是太陽風-磁層-電離層耦合的一種基本模式，是太陽風驅動的重要空間天氣事件。亞暴爆發性的釋放能量加速加熱粒子，功率達到10億千瓦。探索亞暴相關的太陽風-磁層-電離層耦合，是中歐聯合SMILE衛星任務的主要科學目標之一。亞暴的因果鏈由太陽風的南向磁場開始，經歷磁層頂磁重聯，在電離層產生極強的電流和磁場擾動，以AE地磁指數為表征，并往往伴隨極光爆發。亞暴研究一直頗具爭議，其難點在于中間因果鏈跨尺度跨圈層難以直接驗證，由此形成了相互對立的“由內向外”（inside-out）和“由外向內”（outside-in）的唯象模型。

　　面對亞暴難題，中國科學院院士、中科院國家空間科學中心太陽活動與空間天氣重點實驗室研究員王赤團隊提出了解決思路，即通過精確測量“起始端-關鍵節點-終端”之間的響應時間，作為限制條件，逆向推測中間因果鏈，提出新的亞暴唯象理論模型。

　　傳統亞暴模型的因果鏈依賴Dungey循環圖像，需要磁力線對流至磁尾聚積，響應時間為1小時左右。通過衛星-地面聯合觀測，王赤與研究員戴磊等發現一類亞暴（從磁層頂重聯到產生亞暴電流響應的時間在10-20分鐘以內）。這類亞暴來源于太陽風中阿爾芬波攜帶的不斷反轉的南北向磁場（IMF Bz）。波動的南北向磁場被地球弓激波壓縮增強后到達磁層頂，引發斷斷續續的非穩態磁重聯。增強的磁層頂重聯伴隨著AU和AE地磁指數的快速上升，繼而在10-20分鐘內產生亞暴電流和亞暴爆發。這類亞暴在快太陽風以及CIR觸發的磁暴中頻繁出現。

　　依據觀測響應時間推測因果鏈，王赤、戴磊等提出了新的亞暴唯象理論模型（如圖）。磁層頂重聯引起對流增強，且增強的對流電場沿著磁力線映射到電離層高緯極蓋區。此映射中，對流電場造成的電勢差保持守恒，這是由于對流電場是垂直磁力線的靜電場，磁力線是等勢線。高緯極蓋區的對流電場穿透到極光區，驅動電離層的雙單元對流模式（two-cell convection），并導致極光區的東西向的對流電流（convection electrojet），體現為AU指數上升；極光區對流電場伴隨引起Pedersen電流以及1區、2區場向電流。雙單元對流增強后，夜側對流電場通過2區場向電流從電離層映射到磁層偶極場和磁尾的過渡區域，驅動磁層的對流產生緯度方向的繞流偏轉，從而減小越尾電流，產生磁場偶極化，最終形成亞暴電流楔效應和電離層的亞暴電流。整個因果鏈中，重新建立雙單元對流模式需要約10-20分鐘（Kennel 1996），而電場和電勢差沿磁力線映射迅速，需要的時間在分鐘級別。這類直接驅動的亞暴獨立于Dungey循環的因果鏈，其因果鏈通過電離層直接到磁層過渡區域。

　　從新亞暴模型的視角看，傳統“由內向外”和“由外向內”的模型之間的矛盾，來自于亞暴本身就有兩類，自帶有兩種獨立因果鏈。一類亞暴依賴Dungey循環，是對磁尾磁力線堆積的響應，其因果鏈在磁尾更可能是“由外向內”；另一類亞暴是經由電離層直接驅動，其因果鏈在磁尾更可能是“由內向外”。

　　新的亞暴唯象理論模型與SMILE任務提出的兩大科學問題（太陽風-磁層相互作用的模式、亞暴的全過程周期）直接相關，可望在SMILE衛星任務中得到研究和檢驗。相關研究成果發表在The Astrophysical Journal上。

直驅模式亞暴的唯象理論模型（Dai, Wang et al., 2023 APJ）