赵勇等-GL：彗星 “点亮”全球极光

彗星令人惊叹的彗尾对人类来说是有趣的天文现象，除了带给我们震撼的视觉享受，明亮的彗尾还向行星际空间发射大量物质，包括尘埃和带电粒子。带电粒子被太阳风拾取，可以与太阳风一起注入行星空间环境。彗星物质被认为可以直接驱动地球空间的磁暴，1910年哈雷彗星回归的时候，地球表面发生全球磁场扰动（Russell et al., 1988），这为彗星如何影响地球空间和表面电磁环境提供了重要线索。彗星物质如何与太阳风融合共同驱动地球环境的机理却并不清楚，对彗星物质、行星空间和地面环境进行监测是深化彗星影响空间环境过程研究的关键，但这样的监测迄今为止依然非常有限。

73P/Schwassmann–Wachmann 3是一颗短周期的木星族彗星，轨道周期为5.4年，由Arnold Schwassmann 和 Arno Wachmann于1930年共同发现。1995年，彗星开始分裂成5块碎片。在其返回近日点期间，经历了多次爆发，并分裂成许多碎片。通过望远镜对73P/Schwassmann-Wachmann 3彗星进行光谱观测，发现了此彗星具有典型的OI原子发射线（图1）。

图1 （a）73P/Schwassmann–Wachmann 3去除天光背景的光谱成像；（b）73P/Schwassmann-Wachmann 3光谱与HD 197076恒星光谱比值；（c）Spitzer太空望远镜拍摄的彗星图像

位于日地拉格朗日L1点的ACE/SWICS卫星在 2006年5月23日至6月17日观测到了显著的O⁺通量，并且基于位置信息可以确认O⁺来自于73P/Schwassmann–Wachmann 3。日地L1位于日地连线上，因此该位置的太阳风被认为可以直接吹到地球上游。相比1910年的哈雷彗星回归时代只有数个地面台站的观测数据可分析，2006年彗星73P期间的观测数据非常丰富，包括了太阳风粒子和磁场、大量的地面磁场台站和极光台站，以及绕地球低轨道飞行的光学相机和粒子探测。中国科学院地质与地球物理研究所地球与行星物理院重点实验室赵勇博士后，与合作导师尧中华、魏勇等，通过分析太阳风、地球低轨道以及地面台站数据，揭示了彗星物质对地球空间环境的影响。

图2显示了2006年5月23日至6月17日期间AE指数、DST指数、太阳风O⁺通量及两次明显的极光增强事件。DST是有地球中低纬度区域的磁场台站数据推导的磁场扰动，反映的是全球磁场爆。而AE指数反应地球高纬度的磁场扰动，直接反映极光电流的强度。可以清晰地看到太阳风O⁺通量在5月29日和6月5日分别出现明显增强。与之对应的是DST和AE指数出现明显扰动，DMSP卫星观测到的极光也出现明显的增强特性。

图2 2006年5月23日至6月17日期间AE指数、DST指数、O⁺流量及两次明显的极光增强事件

完整的观测链条凸显了彗星物质对行星空间环境的关键影响：利用光谱和成像观测确认了氧原子，并且在预期的位置上通过ACE卫星监测到了被电离之后的氧离子通量增加，随即伴随氧离子通量增加的太阳风抵达地球，利用地面台站观测到了全球磁场扰动且低轨道DMSP卫星拍摄到显著的极光增强。

该研究直接证实了Russell et al.（1988）提出来的彗星会导致地球磁暴的观点，但关于彗星物质在太阳风中如何汇集且如何量化地影响行星空间环境，还需要进一步的观测和数值模拟综合研究，这也是他们下一步的研究计划。

研究成果发表于国际学术期刊Geoscience Letters （赵勇，闫丽梅，尧中华^*，魏勇^*，郭瑞龙，赖海容，张彬铮. Auroral responses to the visit of comet 73P/Schwassmann–Wachmann 3 in 2006 [J].Geoscience Letters，2022. DOI:10.1186/s40562-022-00245-8）。研究成果得到国家自然科学基金项目(42074211)、中科院地质与地球物理研究所重点部署项目(IGGCAS-201904)和中科院青年创新促进会优秀会员(No. Y2021064)联合资助。

美编：傅士旭

校对：万鹏