太陽系有4顆類地行星，分別是水星、金星、地球和火星。其中，只有地球和水星具有內(nèi)稟磁場(chǎng)，它們?cè)谔栵L(fēng)的沖擊下形成磁層。磁層中的等離子體吸收了太陽風(fēng)帶來的能量，在背景磁場(chǎng)中產(chǎn)生各種復(fù)雜的動(dòng)力學(xué)過程。探索不同行星磁層中的等離子體動(dòng)力學(xué)過程的異同，是比較行星學(xué)研究的主要目標(biāo)之一，不僅可以幫助我們梳理行星磁層的變化規(guī)律，更對(duì)系外行星空間環(huán)境的探索提供指導(dǎo)性信息。
粒子在磁層亞暴過程中的熱力學(xué)特性一直是空間物理學(xué)研究中的重點(diǎn)和熱點(diǎn)問題。地球磁層內(nèi)大量衛(wèi)星數(shù)據(jù)對(duì)地球亞暴過程中粒子的變化特征已經(jīng)進(jìn)行了廣泛的研究，然而作為太陽系類地行星中另外一顆具有全球性內(nèi)稟磁場(chǎng)的行星——水星，其磁層亞暴過程中粒子的特征仍缺乏系統(tǒng)的研究。在過去的幾十年中，空間物理學(xué)研究領(lǐng)域?qū)λ谴艑觿?dòng)力學(xué)過程的研究始終保持著持續(xù)的熱情，原因主要在于：水星磁層構(gòu)造與地球磁層非常相似，盡管水星磁層在體積上要遠(yuǎn)小于地球磁層，但其中仍發(fā)生著大量的相似物理學(xué)過程。如果考慮到水星缺少電離層這一獨(dú)特性，那么對(duì)水星磁層動(dòng)力學(xué)過程的研究就可以用來檢驗(yàn)和深入理解地球磁層物理當(dāng)中的一些概念和理論。
圖1. 水星兩次偶極化之前(a, e) 和之后(c, g) 的質(zhì)子相空間密度和counts (b, d, f, h)分布。
圖中黑點(diǎn)為儀器counts數(shù)大于1的測(cè)量點(diǎn)，紅點(diǎn)為儀器counts數(shù)等于1的測(cè)量點(diǎn)。藍(lán)線為高能部分Kappa分布的擬合，綠線為低能部分高斯擬合，黑線為兩者之和。
水星信使號(hào)（MESSENGER）探測(cè)器于2009年至2015年在軌水星，其16個(gè)水星年的在軌數(shù)據(jù)為本研究提供了必要條件。本研究首先使用信使號(hào)測(cè)量得到的質(zhì)子數(shù)據(jù)（能量范圍在~ 0至13個(gè)千電子伏, keV），對(duì)水星磁層亞暴兩個(gè)偶極化前后的質(zhì)子分布進(jìn)行了擬合（如圖1所示）。以第一個(gè)偶極化過程為例，偶極化之前，高能部分質(zhì)子熱力學(xué)溫度為7.8±0.8兆開爾文(MK) ，κ為28.17±3.04；偶極化發(fā)生之后，質(zhì)子熱力學(xué)溫度為18.1±2.0兆開爾文(MK) ，κ為2.65±0.3。此結(jié)果清晰的表明，水星亞暴偶極化過程可以非常有效的加熱（熱力學(xué)溫度升高）和加速（κ降低）質(zhì)子。第二個(gè)亞暴偶極化的結(jié)果進(jìn)一步證實(shí)了這一結(jié)論。
基于此個(gè)例的研究，本研究對(duì)信使號(hào)1225個(gè)符合要求的軌道進(jìn)行了統(tǒng)計(jì)分析。統(tǒng)計(jì)的結(jié)果，首先證實(shí)了水星磁層活躍期對(duì)應(yīng)著顯著的質(zhì)子溫度的升高和超熱質(zhì)子的產(chǎn)生；其次發(fā)現(xiàn)質(zhì)子的溫度和超熱質(zhì)子通量在水星磁尾的分布表現(xiàn)出了顯著的晨昏不對(duì)稱特征，即在晨側(cè)的數(shù)值要顯著的高于昏側(cè)。與信使號(hào)磁場(chǎng)數(shù)據(jù)的比較之后進(jìn)一步指出，水星磁尾的偶極化過程表現(xiàn)為在磁尾晨側(cè)的發(fā)生率遠(yuǎn)高于昏側(cè)，考慮了本研究的個(gè)例研究結(jié)論，偶極化的這一分布就為質(zhì)子溫度和高能質(zhì)子分布的晨昏不對(duì)稱原因提供了解釋。對(duì)該研究主要結(jié)論的總結(jié)如圖2所示。
與地球磁層相似物理過程的比較發(fā)現(xiàn)，相較于地球磁層亞暴偶極化過程，水星磁尾偶極化過程對(duì)質(zhì)子的加熱和加速更加有效，這一特征揭示水星偶極化過程及發(fā)生在此過程中的波粒相互作用要更加劇烈。與此同時(shí)，地球磁尾磁重聯(lián)以及近磁尾偶極化過程較多的發(fā)生在昏側(cè)區(qū)域，與水星磁尾的較多的發(fā)生在晨側(cè)這一特征顯著不同。
圖2. 水星磁尾動(dòng)力學(xué)過程示意圖。水星近磁尾偶極化過程多在晨側(cè)發(fā)生，造成質(zhì)子溫度和超熱質(zhì)子通量在晨側(cè)較高（近水星紅色區(qū)域）。同時(shí)水星的近磁尾重聯(lián)（紅色X線）及X-射線極光（水星上的綠色?。┮哺嗟脑诔總?cè)被觀測(cè)到。
以上研究成果發(fā)表在地學(xué)國(guó)際知名學(xué)術(shù)期刊Geophysical Research Letters (Sun W. J., J. M. Raines, S. Y. Fu, J. A. Slavin, Y. Wei, G. K. Poh, Z. Y. Pu, Z. H. Yao, Q. G. Zong, and W. X. Wan (2017), MESSENGER observations of the energization and heating of protons in the near-Mercury magnetotail, Geophys. Res. Lett., 44, 8149–8158, doi:10.1002/2017GL074276.)。該研究得到了博士后創(chuàng)新人才支持計(jì)劃、中國(guó)博士后基金項(xiàng)目、國(guó)家自然科學(xué)基金的資助。論文第一作者和通訊作者為中科院地球與行星物理重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室孫為杰博士后，合作導(dǎo)師為萬衛(wèi)星院士和魏勇研究員。來自美國(guó)密歇根大學(xué)(Department of Climate and Space Sciences and Engineering, University of Michigan, Ann Arbor)，北京大學(xué)地球與空間科學(xué)學(xué)院，及比利時(shí)烈日大學(xué)(Laboratoire de Physique Atmosphérique et Planétaire, STAR Institute, Université de Liège) 等研究單位的學(xué)者參加了此項(xiàng)研究。
原文鏈接：http://onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1002/2017GL074276/full