1月27日，Nature Communications（《自然·通訊》）在線發(fā)表武漢大學(xué)電子信息學(xué)院袁志剛教授研究團(tuán)隊(duì)在地球彌散極光形成方面的最新進(jìn)展。

論文題為“Diffuse auroral precipitation driven by lower-band chorus second harmonics”(《低波段合聲二次諧波驅(qū)動的彌散極光沉降》)。電子信息學(xué)院博士后余雄東為論文第一作者，袁志剛教授為通訊作者，武漢大學(xué)電子信息學(xué)院為第一署名/通訊單位。

彌散極光是地球磁層物質(zhì)和能量向高層大氣輸運(yùn)的重要標(biāo)志之一，因而一直是地球圈層耦合研究的前沿?zé)狳c(diǎn)。一般認(rèn)為，彌散極光是由地球磁層中常規(guī)雙波段合聲波的共同散射效應(yīng)，致使磁層電子落入損失錐并沉降至大氣層所導(dǎo)致。然而合聲波的上下兩個波段并不總是同時出現(xiàn)，空間上的分離將很大程度上降低其共同散射效應(yīng)的效率。尋找新的形成渠道，成為彌散極光研究方面亟需解決的關(guān)鍵問題。

該研究利用磁層衛(wèi)星Van Allen Probes和電離層衛(wèi)星NOAA的聯(lián)合觀測，發(fā)現(xiàn)彌散極光電子沉降的同時，磁層中共軛位置上并未有常規(guī)的雙波段合聲波，取而代之的是下波段合聲波及其二次諧波。與互不關(guān)聯(lián)的常規(guī)雙波段合聲波不同的是，二次諧波與下波段合聲波在空間上一一對應(yīng)，且存在因果關(guān)聯(lián)。袁志剛教授研究團(tuán)隊(duì)在此前的系列研究中表明（Geophys. Res. Lett. 2021, 48，e2020GL091762；Geophys. Res. Lett. 2022,49，e2021GL097143；Geophys. Res. Lett. 2022, 49，e2022GL098166； Geophys. Res. Lett. 2022,49, e2022GL099152），二次諧波是由基波與等離子體相互作用形成的非線性電流驅(qū)動下產(chǎn)生。這樣的因果關(guān)聯(lián)使得二者在空間上往往成對出現(xiàn)，為共同散射效應(yīng)提供了絕佳條件。

該研究在此基礎(chǔ)上，給出合聲波自洽產(chǎn)生二次諧波的優(yōu)先條件，并利用高精度衛(wèi)星實(shí)測數(shù)據(jù)的統(tǒng)計結(jié)果進(jìn)行了驗(yàn)證，為估量二次諧波對磁層粒子的作用提供了理論基礎(chǔ)和觀測支撐。通過進(jìn)一步結(jié)合準(zhǔn)線性共振擴(kuò)散理論和Fokker-Planck模擬，該研究證實(shí)了二次諧波可以替代常規(guī)上波段合聲波，與下波段合聲波通過共同散射致使磁層電子沉降，從而驅(qū)動彌散極光的形成。該研究結(jié)果提出了彌散極光形成的新途徑，為理解地球圈層耦合提供了新思路。

合聲波及其二次諧波共同散射致使彌散極光電子沉降示意圖

據(jù)悉，該研究的合作者武漢大學(xué)電子信息學(xué)院2020級博士生鄧丹在研究工作中負(fù)責(zé)高精度衛(wèi)星數(shù)據(jù)的統(tǒng)計分析及部分理論推導(dǎo)。合作者中山大學(xué)俞江副教授、德國地學(xué)中心（GFZ）王德棟研究員及美國洛斯阿拉莫斯國家實(shí)驗(yàn)室（LANL）H.O. Funsten教授為估量二次諧波作用的模擬計算及衛(wèi)星數(shù)據(jù)保障提供了重要幫助。研究獲得了國家自然科學(xué)基金委杰出青年科學(xué)基金、面上項(xiàng)目及青年科學(xué)基金的資助。（來源：武漢大學(xué)）