2025年1月23日，《Nature》期刊在線報(bào)道了北京航空航天大學(xué)空間與地球科學(xué)學(xué)院曹晉濱院士團(tuán)隊(duì)劉成明等人與來自美國和瑞典的科研人員，在地球空間合聲（chorus）觸發(fā)機(jī)制領(lǐng)域取得的最新進(jìn)展：《Field-particle energy transfer during chorus emissions in space》。該工作打破了學(xué)術(shù)界關(guān)于合聲波只能在地球偶極磁場控制的近地區(qū)域出現(xiàn)這一持續(xù)70多年的傳統(tǒng)觀點(diǎn)，首次發(fā)現(xiàn)在距離地球16萬公里的非偶極磁場中性片區(qū)域也會(huì)出現(xiàn)合聲波，其產(chǎn)生機(jī)制也與傳統(tǒng)的合聲波產(chǎn)生機(jī)制不同，來自于非線性波粒相互作用。劉成明副教授為第一作者，劉成明副教授、曹晉濱院士為通訊作者，北京航空航天大學(xué)空間與地球科學(xué)學(xué)院為第一單位。

合聲波（chorus waves），是地球和行星空間等離子體中幅值最強(qiáng)的電磁波動(dòng)之一，在地球輻射帶高能電子加速和極區(qū)脈沖極光的產(chǎn)生過程中起著關(guān)鍵作用。合聲波能夠?qū)⒌湍茈娮蛹铀俪筛吣茈娮樱ò偃f電子伏特，MeV），形成地球輻射帶殺手電子（killer electrons），危害航天器穩(wěn)定運(yùn)行和航天員健康安全；合聲波可以散射電子使其沿地磁場磁力線沉降至極區(qū)高層大氣，進(jìn)而與大氣分子碰撞后形成地球上壯觀美麗的脈動(dòng)極光；合聲波還能夠誘發(fā)嘶聲波，改變近地空間高能電子輻射帶結(jié)構(gòu)，調(diào)制磁層-電離層耦合，進(jìn)而影響空間天氣發(fā)展和演化。

圖1. 合聲波在地球磁層空間中的空間分布

由于上述重要性，合聲波從上世紀(jì)50年代以來，一直是空間物理學(xué)研究的前沿?zé)狳c(diǎn)。通過近70年的衛(wèi)星觀測和理論研究，人們對(duì)合聲波已經(jīng)有了較為全面的認(rèn)識(shí)，發(fā)現(xiàn)合聲波主要發(fā)生在地球近地空間偶極磁場區(qū)域（圖1），地球空間地磁場磁力線就像兩端固定在地球南北磁極區(qū)的琴弦一樣，當(dāng)太陽風(fēng)能量進(jìn)人地球磁層空間，并通過相關(guān)物理過程撥動(dòng)這些琴弦時(shí)，就會(huì)激發(fā)頻率特征類似于清晨鳥兒的齊鳴合奏的電磁波，因此稱為合聲。合聲的頻率譜呈準(zhǔn)相干的離散點(diǎn)，且頻率具有啁啾（chirp）特性，由于相關(guān)空間等離子體物理過程的復(fù)雜性，直至今日，對(duì)合聲波的產(chǎn)生和傳播機(jī)制依舊充滿爭議，未有共識(shí)。

圖2. MMS衛(wèi)星對(duì)地球空間磁尾中性片中的合聲波觀測

空間與地球科學(xué)學(xué)院曹晉濱教授領(lǐng)導(dǎo)的空間科學(xué)團(tuán)隊(duì)長期從事地球空間等離子體電磁波動(dòng)和波粒相互作用研究，具有扎實(shí)的理論基礎(chǔ)和豐富的衛(wèi)星觀測數(shù)據(jù)經(jīng)驗(yàn)，取得了多項(xiàng)具有國際影響力重要成果。團(tuán)隊(duì)成員劉成明副教授等人在對(duì)合聲波非線性理論進(jìn)行深入研究后，認(rèn)為合聲波的產(chǎn)生是一個(gè)基本空間等離子體物理過程，不僅在傳統(tǒng)觀點(diǎn)認(rèn)為的近地空間偶極磁場區(qū)域存在，在非偶極磁場區(qū)域，也應(yīng)該存在。在對(duì)國際地球磁層多尺度衛(wèi)星MMS（Magnetospheric Multiscale Mission）海量數(shù)據(jù)分析后，首次在非偶極場結(jié)構(gòu)的磁尾中性片區(qū)域發(fā)現(xiàn)了連續(xù)出現(xiàn)的合聲波（圖2），證明了新觀點(diǎn)。磁尾中性片區(qū)域磁場極為微弱，僅為地球表面磁場的萬分之一的量級(jí)，其拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)也與偶極場完全不同，在傳統(tǒng)合聲波理論框架下，那里不應(yīng)該存在合聲波。這一新發(fā)現(xiàn)打破了學(xué)術(shù)界關(guān)于合聲波只能在地球偶極磁場控制的近地區(qū)域出現(xiàn)這一持續(xù)70多年的傳統(tǒng)觀點(diǎn)。

圖3. 波動(dòng)相空間內(nèi)的電子洞

劉成明副教授等人通過理論計(jì)算，發(fā)現(xiàn)該合聲波是局地不穩(wěn)定性激發(fā)，波動(dòng)從熱電子處獲取能量，而線性波動(dòng)理論給出的波動(dòng)增長頻率范圍明顯低于實(shí)際觀測到的波動(dòng)頻率，說明非線性波動(dòng)-粒子相互作用是合聲波的發(fā)生原因。進(jìn)一步分析二階非線性波動(dòng)-粒子共振方程，得出控制非線性波粒相互作用的非均勻因子的確切值，其滿足合聲波的激發(fā)條件，波動(dòng)相空間會(huì)出現(xiàn)非對(duì)稱電子洞和共振電流。在對(duì)MMS衛(wèi)星電子三維速度分布數(shù)據(jù)深入分析后，劉成明副教授等人在波動(dòng)相空間首次發(fā)現(xiàn)了理論預(yù)測的非對(duì)稱電子洞（圖3）和共振電流（圖4），從而為合聲波形成的非線性機(jī)制提供了迄今最直接的觀測和理論證據(jù)。

圖4. 波動(dòng)內(nèi)的電場，電流，和能量轉(zhuǎn)化

英國皇家學(xué)會(huì)院士（FRS）Richard Horne教授在Nature評(píng)論文章中指出，新發(fā)現(xiàn)的合聲波在以往認(rèn)為不可能出現(xiàn)的區(qū)域（距離地球16萬公里）出現(xiàn)，是一個(gè)在令人驚訝（surprising）的區(qū)域出現(xiàn)的令人驚訝（surprising）的結(jié)果。同時(shí)，首次觀測到的相空間電子洞，是一個(gè)非凡（remarkable）的發(fā)現(xiàn)。劉等人的工作并不僅僅具有學(xué)術(shù)上的意義。考慮到合聲波能夠加速電子到靠近光速，成為能夠損毀衛(wèi)星的殺手電子，從而影響地球高能電子輻射帶的形成和演化。所以目前保護(hù)衛(wèi)星的高能電子輻射帶預(yù)報(bào)模型都包括合聲波。劉等人的工作將加深我們對(duì)合聲波的理解，極大地提高我們對(duì)高能電子輻射帶的預(yù)報(bào)能力。

論文的北航合作者包括空間與地球科學(xué)學(xué)院碩士生趙泊寧（第二作者），劉楊洋副教授，和博士生邢錫寧。該工作也得到了國外合作者們的大力幫助和支持，包括美國加州大學(xué)洛杉磯分校的Christopher Russell教授，西南研究院的James Burch研究員，迪納利科學(xué)研究院Craig Pollock研究員，和瑞典皇家理工學(xué)院Per-Arne Linqvist研究員。該項(xiàng)工作得到了國家自然科學(xué)基金委創(chuàng)新群體、青年基金，中國科協(xié)青年人才托舉工程，中央高校基本科研業(yè)務(wù)費(fèi)項(xiàng)目的支持。