在地球高纬地区上空，太阳风沿着地球磁力线高速进入到南北磁极附近的高层大气中，其携带的大量高速带电粒子撞击地球高层大气中的气体分子或原子，激发产生电磁风暴和极光。携带电磁波、电场、磁场等仪器的空间探测器从空间看地球发现，地球是一个电磁辐射很强的天然射电源，地球大气在极光区域有HF和MF频带的射电爆发辐射发生，辐射频率最低可至数kHz，辐射能量可达107～108 W，而且部分爆发与地球的磁暴有关联。其最大谱密度集中在250～350 kHz带域，波长约为1 km，又称为地球极光千米波爆发（Aurora Kilometer Radiation，AKR）[10-14]。

地球AKR辐射如果来自等离子体热辐射，则这类辐射会对应极高的大于1015K的亮温度，比任何行星等离子层等离子体温度都高。它无法用一个热辐射生成机制来解释，也不能用诸如等离子体不稳定这样的相干辐射过程来解释。AKR辐射由相对论电子的回旋不稳定产生，主要产生X-模电磁波。AKR的主要辐射发生在地球极光区域的夜间那一半，磁纬度高于65°，高度为5 000～15 000 km。其强度在亚爆发生期间、伴随着磁层活动的增强而增强，Benediktov 等首次注意到了这个现象[10]，后续研究也证实了这一现象[11-14]。在AKR辐射源附近，有可能激励其更低频率的爆发辐射，如1 min尺度的AKR爆发辐射就与一种10～60 kHz的地球射电辐射爆发密切关联。迄今为止关于AKR的产生机理和理论模型并没有清晰解明，仍然是开放问题。

日本与美国合作的地球磁尾探测器GEOTAIL使用MH频带的射电观测设备和更低频段的电场探测设备获得了大量的地球AKR探测数据，证实了部分之前研究获得的模型和机理[15]。图1是使用GEOTAIL卫星1993年1月30日在轨探测数据给出的地球射电爆发AKR频谱的一个实例（

图1 GEOTAIL卫星1993年1月30日在轨探测到的地球射电爆发频谱Fig. 1 Spectra of the Earth AKR burst detected by GEOTAIL on Jan.30，1993

GEOTAIL卫星在轨工作20余年，积累了大量观测数据。通过地球磁尾探测器GEOTAIL收集分析长期的AKR射电辐射数据，发现AKR连续辐射部分的辐射频率分布变化表现出与地球自转的世界时关联变化特性[16]，而且显示出弱的类似季节尺度的变化特征[16-17]。这表明地球是一个旋转调制的变化着的射电源，同时说明地球的磁层与电离层存在物理耦合过程[18]。值得注意的是，这个类似季节尺度的变化机理特征并未得到解决，它是否与日、地、月空间位置变化关联，进一步地是否存在地球以及太阳的潮汐调制，也仍然是待解决的问题。

在200 kHz以下到数十kHz的千米连续波辐射是一种磁层非热辐射，它是所有行星磁层的基本电磁辐射之一，起源于行星大气的等离子体层，在等离子层顶部、密度缺口区、空腔梯度区等一些特殊区域发生概率很高。可以确认的是密度梯度下的模式转换对激发这类辐射起着重要作用[4,18]。观测表明这类辐射由一个磁层俘获成分和一个逃逸成分组成，存在一个难以理论解释的窄带精细结构。尽管已经被观测研究了近50年，关于这类辐射是如何发生的，仍然有未解明的理论问题，以及更多的关于这类辐射与磁层动力学关系的未知问题。这些诸如与等离子体层缺口边缘或缺口结构关联的窄维度集束结构窄带域精细结构，提供了一个新的机会来观测触发这些辐射以及探索等离子体层动力学关系。

相比较于单一探测器的频谱探测，无论是探测地球的千米波AKR爆发辐射还是千米连续波辐射，如采用多探测器同步在轨观测，获得探测信息，对于提供分离时、空效应和验证现有理论都至关重要。进一步地，在辐射发生的不稳定性开始和增长期间都实施这种多探测器的同步观测，并监测大尺度等离子体的动力学特性，有很大机会促进描绘发生这种辐射的最佳理论研究取得重大进展。一个典型的例子是，研究者使用Cluster 星座多个卫星同步获得的宽带数据，采用空间甚长基线干涉测量（Very Long Baseline Interferometry，VLBI）技术手段，测量AKR爆发脉冲到达卫星星座每一对基线两端的亚毫秒精度的时间延迟，基于三角测量法组合使用这些时延观测量，前后获得了一千多个AKR爆发源的空间位置和变化信息。比较影像数据，这类VLBI方法测量发现AKR辐射爆发倾向于沿着位于极光椭圆明亮区域上方的磁力线发生，频率与局部回旋频率的辐射一致或接近[19]。Cluster星座卫星轨道和时间测量误差大、高度低使得测量得到的AKR源头或爆发位置测量的不确定性仍然很大。未来有理由更好地优化这些技术问题，如卫星星座搭载高精度的时间计量手段把VLBI时间延迟测量精度提高2～3个量级、在地月距离上布设星座、提高卫星轨道的测量和确定精度等，将会更有效地测量AKR事件的三维小尺度结构及电磁场和粒子的时空变化的探测，解决现在还不能解决的地球空间物理的一些关键科学问题。

文章来源：《北极光》 网址: http://www.bjgzzs.cn/qikandaodu/2021/0522/743.html