近日，中國科學(xué)技術(shù)大學(xué)地球和空間科學(xué)學(xué)院、深空探測實(shí)驗(yàn)室陸全明教授和高新亮特任教授研究團(tuán)隊(duì)結(jié)合多顆衛(wèi)星聯(lián)合觀測以及計(jì)算機(jī)粒子模擬方法，揭示了地球內(nèi)磁層中合聲波主導(dǎo)極區(qū)彌散極光形成的內(nèi)在原因。該研究成果以“Why chorus waves are the dominant driver for diffuse auroral precipitation”為題發(fā)表于《Science Bulletin》。

彌散極光是極區(qū)電離層能量輸入的重要來源，是地球磁層與電離層之間的強(qiáng)耦合機(jī)制。地球磁層中等離子體波動通過共振散射使電子進(jìn)入損失錐，進(jìn)而沉降至大氣層并與大氣分子碰撞，最終形成彌散極光。哨聲模合聲波和靜電電子回旋諧波（ECH波）被認(rèn)為是引起彌散極光形成的兩個最為重要的波模。如果依據(jù)理論推測，那么這兩種波動在磁層中對彌散極光的貢獻(xiàn)應(yīng)該是相當(dāng)?shù)�。然而，觀測結(jié)果卻表明，合聲波主導(dǎo)了彌散極光的形成。如何解釋這一矛盾，是目前亟待解決的科學(xué)難題。

通過美國的Van Allen Probe A衛(wèi)星和DMSP衛(wèi)星的聯(lián)合觀測發(fā)現(xiàn)，合聲波和ECH波動具有相當(dāng)?shù)恼穹鶑?qiáng)度，并且能夠單獨(dú)引起極區(qū)的電子沉降。更為重要的是，我們發(fā)現(xiàn)了一個長期以來被忽視的觀測現(xiàn)象，兩種等離子體波動的振幅存在顯著的反相關(guān)關(guān)系（圖1），即ECH波的振幅受到了合聲波的強(qiáng)烈抑制。衛(wèi)星統(tǒng)計(jì)結(jié)果進(jìn)一步揭示，合聲波對ECH波的抑制作用在全球范圍內(nèi)是普遍存在的（圖2）。利用計(jì)算機(jī)粒子模擬方法和日本的Arase衛(wèi)星數(shù)據(jù)，我們證實(shí)了合聲波能夠通過快速重塑電子分布來有效抑制ECH波。

這些研究結(jié)果表明，盡管合聲波和ECH波動都能引起彌散極光，但由于合聲波對ECH波的抑制作用，從而最終使得合聲波成為了彌散極光形成的主要貢獻(xiàn)者。合聲波的主導(dǎo)地位是這兩種波動相互作用的必然結(jié)果。這些新發(fā)現(xiàn)將推動我們對地球和其他行星上彌散極光現(xiàn)象的全面認(rèn)知。

圖1.VAP A和DMSP衛(wèi)星的聯(lián)合觀測結(jié)果

圖2.合聲波和ECH波動的空間分布情況

中國科學(xué)技術(shù)大學(xué)高新亮特任教授和馬玖琦（博士）為本文共同第一作者；中國科學(xué)技術(shù)大學(xué)陸全明教授為本文通訊作者。本工作得到國家自然基金重點(diǎn)項(xiàng)目、國家自然基金優(yōu)青項(xiàng)目、中國科學(xué)院先導(dǎo)B和中國科大“仲英青年學(xué)者”項(xiàng)目的資助。

論文鏈接：https://doi.org/10.1016/j.scib.2023.12.009