2025年，北航第一篇《Nature》：首次聆听到太空的声音！

近日，北京航空航天大学空间与地球科学学院

曹晋滨院士团队刘成明与合作者

首次聆听到遥远地球空间发出的合声

相关成果于2025年1月23日

发表于《Nature》杂志

2025年1月23日，《Nature》期刊在线报道了北京航空航天大学空间与地球科学学院曹晋滨院士团队刘成明等人与来自美国和瑞典的科研人员，在地球空间合声（chorus）触发机制领域取得的最新进展：《Field-particle energy transfer during chorus emissions in space》。该工作打破了学术界关于合声波只能在地球偶极磁场控制的近地区域出现这一持续70多年的传统观点，首次发现在距离地球16万公里的非偶极磁场中性片区域也会出现合声波，其产生机制也与传统的合声波产生机制不同，来自于非线性波粒相互作用。

第一作者：刘成明副教授

通讯作者：刘成明副教授、曹晋滨院士

第一单位：北京航空航天大学空间与地球科学学院

合声波（chorus waves），是地球和行星空间等离子体中幅值最强的电磁波动之一，在地球辐射带高能电子加速和极区脉冲极光的产生过程中起着关键作用。合声波能够将低能电子加速成高能电子（百万电子伏特，MeV），形成地球辐射带杀手电子（killer electrons），危害航天器稳定运行和航天员健康安全；合声波可以散射电子使其沿地磁场磁力线沉降至极区高层大气，进而与大气分子碰撞后形成地球上壮观美丽的脉动极光；合声波还能够诱发嘶声波，改变近地空间高能电子辐射带结构，调制磁层-电离层耦合，进而影响空间天气发展和演化。

图1. 合声波在地球磁层空间中的空间分布

由于上述重要性，合声波从上世纪50年代以来，一直是空间物理学研究的前沿热点。通过近70年的卫星观测和理论研究，人们对合声波已经有了较为全面的认识，发现合声波主要发生在地球近地空间偶极磁场区域（图1），地球空间地磁场磁力线就像两端固定在地球南北磁极区的琴弦一样，当太阳风能量进人地球磁层空间，并通过相关物理过程拨动这些琴弦时，就会激发频率特征类似于清晨鸟儿的齐鸣合奏的电磁波，因此称为合声。合声的频率谱呈准相干的离散点，且频率具有啁啾（chirp）特性，由于相关空间等离子体物理过程的复杂性，直至今日，对合声波的产生和传播机制依旧充满争议，未有共识。

图2. MMS卫星对地球空间磁尾中性片中的合声波观测

空间与地球科学学院曹晋滨教授领导的空间科学团队长期从事地球空间等离子体电磁波动和波粒相互作用研究，具有扎实的理论基础和丰富的卫星观测数据经验，取得了多项具有国际影响力重要成果。团队成员刘成明副教授等人在对合声波非线性理论进行深入研究后，认为合声波的产生是一个基本空间等离子体物理过程，不仅在传统观点认为的近地空间偶极磁场区域存在，在非偶极磁场区域，也应该存在。在对国际地球磁层多尺度卫星MMS（Magnetospheric Multiscale Mission）海量数据分析后，首次在非偶极场结构的磁尾中性片区域发现了连续出现的合声波（图2），证明了新观点。磁尾中性片区域磁场极为微弱，仅为地球表面磁场的万分之一的量级，其拓扑结构也与偶极场完全不同，在传统合声波理论框架下，那里不应该存在合声波。这一新发现打破了学术界关于合声波只能在地球偶极磁场控制的近地区域出现这一持续70多年的传统观点。

图3. 波动相空间内的电子洞

刘成明副教授等人通过理论计算，发现该合声波是局地不稳定性激发，波动从热电子处获取能量，而线性波动理论给出的波动增长频率范围明显低于实际观测到的波动频率，说明非线性波动-粒子相互作用是合声波的发生原因。进一步分析二阶非线性波动-粒子共振方程，得出控制非线性波粒相互作用的非均匀因子的确切值，其满足合声波的激发条件，波动相空间会出现非对称电子洞和共振电流。在对MMS卫星电子三维速度分布数据深入分析后，刘成明副教授等人在波动相空间首次发现了理论预测的非对称电子洞（图3）和共振电流（图4），从而为合声波形成的非线性机制提供了迄今最直接的观测和理论证据。

图4. 波动内的电场，电流，和能量转化

英国皇家学会院士（FRS）Richard Horne教授在Nature评论文章中指出，新发现的合声波在以往认为不可能出现的区域（距离地球16万公里）出现，是一个在令人惊讶（surprising）的区域出现的令人惊讶（surprising）的结果。同时，首次观测到的相空间电子洞，是一个非凡（remarkable）的发现。刘等人的工作并不仅仅具有学术上的意义。考虑到合声波能够加速电子到靠近光速，成为能够损毁卫星的杀手电子，从而影响地球高能电子辐射带的形成和演化。所以目前保护卫星的高能电子辐射带预报模型都包括合声波。刘等人的工作将加深我们对合声波的理解，极大地提高我们对高能电子辐射带的预报能力。

论文的北航合作者包括空间与地球科学学院硕士生赵泊宁（第二作者），刘杨洋副教授，和博士生邢锡宁。该工作也得到了国外合作者们的大力帮助和支持，包括美国加州大学洛杉矶分校的Christopher Russell教授，西南研究院的James Burch研究员，迪纳利科学研究院Craig Pollock研究员，和瑞典皇家理工学院Per-Arne Linqvist研究员。该项工作得到了国家自然科学基金委创新群体、青年基金，中国科协青年人才托举工程，中央高校基本科研业务费项目的支持。

一起来认识

优秀的北航作者

第一作者

刘成明

北京航空航天大学

空间与地球科学学院副教授

2015年本科毕业于西安交通大学， 2019年公派联培于瑞典空间物理研究院，2020年博士毕业于北京航空航天大学。长期从事空间物理和空间天气研究工作，在空间非线性能量和物质传输及其空间天气效应方面，取得了一系列重要研究成果。以第一或通讯作者在Nature， GRL， APJL，JGR等国际权威期刊发表SCI论文28篇，其中Nature index论文14篇，Q1区论文25篇。论文总引用1500余次。入选中国科协青年人才托举工程，获中国地球物理学会杰出博士论文奖，全国日地空间物理研讨会青年优秀论文奖，工信部创新创业奖等。

通讯作者

曹晋滨

中国科学院院士

国际宇航科学院（IAA）院士

北京航空航天大学

空间与地球科学学院院长

国家级领军人才，国家自然科学基金委创新群体负责人，空间环境监测与信息处理工信部重点实验室主任。长期从事磁层物理和空间探测技术研究，在磁层能量释放，输运和耗散，行星（彗星）大气非热逃逸，以及空间磁场波动探测方面取得了开创性成果，作为中欧合作地球空间探测双星计划科学工作委员会副主席，卫星大总体论证有效载荷方面共同负责人，为双星计划立项和顺利实施做出了重要贡献。获得欧洲空间局星簇卫星杰出贡献奖，中欧星簇和双星计划杰出贡献奖，国际宇航科学院Laurels奖。

文章链接：

https://www.nature.com/articles/s41586-024-08402-z

Nature新闻报道链接：

https://www.nature.com/articles/d41586-024-04211-6

瞄准国际空间科学与地球科学前沿

培养一流空间科学、地球科学人才

为国家空天战略贡献北航力量！

来源：北京航空航天大学、新华社。