【台风|首次！北极上空发现“太空台风”】
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你听说过“太空台风”吗？
今天小据带你涨姿势~
在阳光照射的洋面上 ， 温暖的海水不断向外散发着热量和水汽 ， 这些湿润的热空气上升后形成云带 ， 而下方空出来的空间被周围的冷空气迅速填补……这一过程不断循环 ， 云带迅速扩大 ， 并在地转偏向力的影响之下开始旋转 。 随后 ， 更多的能量随着内低外高的气压通道汇聚于此 ， 之前不太起眼的气旋快速膨胀 ， 越转越快 ， 最终可能形成一个能量巨大的台风 。 而现在 ， 一种新的台风出现了 ， 它比出现在地面上空的台风更高、更大、更神秘 。
近期 ， 中国科学家团队首次在地球极区电离层与磁层发现了类似台风或飓风的现象 ， 将其命名为“太空台风” ， 并解释了其形成机制 。
太空环境与低空大气差别巨大 ， 这里没有或者说只有极为稀薄的大气 ， 根本不具备形成台风的条件 ， 那太空台风到底是什么 ， 又是怎么形成的呢？
追踪地球上最高最大的神秘“气旋”
就像很多著名的科学发现一样 ， 成果往往是通过科学家坚持不懈的尝试 ， 并对万千数据的抽丝剥茧得来的 。 太空台风这个“新事物”一开始并未引起人们过多注意 ， 直到2014年8月20日再次出现 ， 研究人员透过监测数据 ， 敏锐捕捉到它的踪迹——在北极磁极点附近上空 ， 一个数百千米高、直径超过1000千米的极光亮斑 ， 更加令人吃惊的是它具有像台风一样的气旋结构 。
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太空台风示意图 | 图自中国科学院国家空间科学中心
极光的外表之下竟然包裹着气旋的结构 ， 再加上特殊的发生高度与大小尺度 ， 种种迹象表明这不是人们通常所认识的那个极光 ， 若不是仪器“看错” ， 就是一个新的发现 。
在比对了不同监测设备同时间的监测数据 ， 排除设备和数据处理环节的问题之后 ， 研究人员逐渐锁定方向——这也许是人类首次记录到的“太空台风” 。
既然太空台风是以极光的形式出现的 ， 不妨顺着这个线索来调查 。 极光本质上是一种空间天气事件作用在地球上所产生的现象 。 由于太阳活动 ， 无数带电粒子源源不断地飞向太阳系的各个角落 ， 其中一些到达了地球附近 ， 这些能量高、速度快的带电粒子在地球磁场的引导下 ， 不是横冲直撞进来 ， 而是沿着磁力线到达地球的两个极区上空 ， 也就是南北磁极对应的范围 。 在这里 ， 它们冲向地球大气 ， 与氧原子、氮原子等微粒发生碰撞 ， 这一过程伴随着能量的吸收与释放 ， 直观的体现就是发光现象 。 随着高度的变化 ， 可分别出现红、绿、黄等不同颜色的光 。
而对应太空台风发生时的极光现象 ， 具有高度高、范围广、亮度强等一系列特点 ， 都再次佐证了其不同于一般极光的判断 。
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极光 | 图自网络
针对这一点 ， 山东大学教授张清和所带领的科学团队与其他学者开展合作 ， 利用地面和空中的多种先进观测设备 ， 借助计算机数值模型模拟展开系统研究 ， 最终摸清了太空台风的“真面目” ， 并通过计算机模拟再现了它的“模样” 。 其整体是由位于高层大气电离层中的特殊大气微粒构成的 ， 外部沿圆周高速旋转 ， 内部有着几乎静止的如同台风眼一样的结构 。 这里的磁场极不稳定 ， 不断出现扰动 ， 而由电子组成的“雨”一直下个不停 。
太阳和地球之间的秘密能量通道
大气活动为台风提供了足够的能量 ， 那么构成太空台风的能量是从哪里来的？
原来 ， 在距离地面数百千米的高度上 ， 大气非常稀薄 ， 这些大气原子和分子受到太阳的照射而进入电离的状态 ， 它们具有部分气体的特性但同时又受到磁场的控制 ， 这是基础条件之一；另一方面 ， 除了光线之外 ， 太阳还会以太阳风为媒介向地球传输能量 ， 在地球磁场平静的时候 ， 靠近极区的磁场会与太阳风之间发生能量的转化 ， 从而形成一条看不见的能量高速路 。 借助这条通路 ， 地球极区上空高层大气中这些被电离了的气体会形成一个巨大的顺时针旋转的漏斗状磁螺旋结构 ， 进一步加速了地球吸收太阳能量的进程 。
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太空台风的形成机理示意图 | 图自中国科学院国家空间科学中心
随后 ， 太阳向外发出的并且飞向地球的带电粒子会直接进入地球的高层大气 ， 不断向这一高度范围内注入能量 ， 与以往人们所熟悉的太阳风给地球传输磁能的过程相比 ， 其打开极区上空磁螺旋结构的传输效率要高得多 。
太空台风的形成一方面源自太阳提供能量 ， 另一方面则是地球磁场和太阳高能电子的相互作用形成能量传输的通路 ， 使得太阳能量的注入发生了质的提升 。 这一结果大大改变了人们以往对行星际空间能量传输的认识——过去认为在太阳活动水平低的平静背景下不会出现大的地磁活动 。
这一研究发现的意义重大 ， 成功登上《自然·通讯》 ， 并被《自然》选为研究亮点 。 其一方面提升了人们对空间天气活动过程的认识 ， 可以帮助科研人员及时调整以往的预报模型；而在应用领域中 ， 尤其是在防范空间天气灾害方面 ， 这一发现能够帮助人们针对极区出现的通信和导航故障采取更有针对性的措施 。
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