磁層-等離子體層-電離層的能量耦合一直是空間物理和空間天氣研究的核心問題之一。當(dāng)太陽風(fēng)的能量、質(zhì)量和動(dòng)量進(jìn)入磁層，增強(qiáng)的磁層對(duì)流電場(chǎng)與地球共轉(zhuǎn)電場(chǎng)的相互作用會(huì)極大地改變等離子體層頂?shù)男螒B(tài)。關(guān)于等離子體層頂受激激發(fā)表面波的可能性早在1974年就被Chen and Hasegawa用磁流體力學(xué)理論預(yù)言，但直到前年才被何飛等通過多衛(wèi)星聯(lián)合觀測(cè)證實(shí)(He et al., 2020)。因此，等離子體層頂表面波的觀測(cè)難度嚴(yán)重制約了我們對(duì)于其激發(fā)機(jī)制和空間效應(yīng)的理解。何飛等的研究表明鋸齒狀等離子體層頂表面波可以在電離層彌散極光的赤道向邊界顯現(xiàn)出蛛絲馬跡，即鋸齒極光。該研究還發(fā)現(xiàn)陡峭的等離子體層頂有利于激發(fā)等離子體層頂表面波，進(jìn)而能將其特征沿磁力線映射到電離層彌散極光的赤道向邊界形成鋸齒狀的極光邊界，同時(shí)還會(huì)激發(fā)超低頻波動(dòng)攜帶電磁能量向外傳播。但是，關(guān)于等離子體層頂形態(tài)如何調(diào)控等離子層頂表面波波長和振幅特征的問題還未知，而這對(duì)于理解等離子層頂表面波的激發(fā)機(jī)制十分重要。
為此，中國科學(xué)院地質(zhì)與地球物理研究所地球與行星物理院重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室博士研究生周一甲與導(dǎo)師何飛研究員、堯中華特聘研究員、魏勇研究員，以及國家衛(wèi)星氣象中心的張效信研究員和美國約翰霍普金斯大學(xué)張永良教授合作，利用前期工作建立的DMSP鋸齒極光數(shù)據(jù)庫，逐一匹配DMSP衛(wèi)星電離層離子密度數(shù)據(jù)（圖1），用于表征等離子體層頂形態(tài)。他們進(jìn)一步利用多種磁場(chǎng)模型將鋸齒極光波動(dòng)特征和電離層離子最大密度梯度特征映射到赤道面上，呈現(xiàn)了鋸齒極光源區(qū)附近等離子層頂表面波的振幅波長特征和等離子層體頂形態(tài)特征，并且定量闡述了鋸齒極光振幅/波長與等離子體層頂厚度和密度梯度之間的緊密關(guān)系，也揭示出等離子層頂表面波與等離子層頂形態(tài)的可能關(guān)系（圖2）：
（1）一般來說，當(dāng)磁暴主相和早期恢復(fù)相期間等離子體層被剝蝕形成一個(gè)薄的、陡峭的等離子體層頂時(shí)，在外部注入能量激發(fā)下，形成鋸齒極光；
（2）等離子體層頂?shù)暮穸群弯忼X極光波長尺度相當(dāng)，但小于鋸齒極光的振幅；
（3）鋸齒極光的振幅和波長與等離子體層頂?shù)暮穸瘸烧龋c等離子體層頂?shù)拿芏忍荻瘸煞幢龋?
（4）鋸齒極光徑向中心位置大體與等離子體層頂表面位置一致并且在不同的地磁暴下它們的位置也保持正相關(guān)。因此，在鋸齒極光發(fā)生期間，等離子體片的內(nèi)邊界也與等離子體層頂表面位置保持一致。
圖1 鋸齒極光與電離層離子密度梯度的同步探測(cè)
圖2 映射到磁赤道面上的鋸齒極光特征與等離子體層頂形態(tài)的關(guān)系. (a)鋸齒極光的振幅 vs 等離子層頂?shù)暮穸? (b)鋸齒極光的振幅 vs 等離子層頂?shù)拿芏忍荻? (c)鋸齒極光的波長 vs 等離子層頂?shù)暮穸? (d)鋸齒極光的波長 vs 等離子層頂?shù)拿芏忍荻? (e)鋸齒極光中心的L shell vs 等離子層頂?shù)腖 shell; (f)鋸齒極光的波長 vs 鋸齒極光的振幅
本項(xiàng)工作通過轉(zhuǎn)換思維，利用鋸齒極光參數(shù)表征等離子體層頂表面波參數(shù)，探討了等離子層頂形態(tài)特征如何定量地控制和影響等離子層頂表面波，有力支撐和豐富了鋸齒極光形成新機(jī)制(即磁暴期間等離子體層頂厚度變薄，密度梯度增大，暴時(shí)環(huán)電流注入在陡峭的等離子體層頂激發(fā)表面波，進(jìn)而映射到電離層形成鋸齒極光現(xiàn)象)。這將會(huì)為磁層-等離子體層-電離層能量耦合過程和等離子體層頂表面波的激發(fā)機(jī)制和沿等離子體層頂?shù)慕窍騻鬏斕卣魈峁┬碌奈锢硪曇昂湍Ｐ图s束。
研究成果發(fā)表于國際學(xué)術(shù)期刊Geophysical Research Letters （周一甲，何飛*，堯中華， 魏勇， 張效信，Yong-Liang Zhang. Correlations between giant undulations and plasmapause configurations[J]. Geophysical Research Letters, 2022. DOI: 10.1029/2022GL098627）。研究得到科技部重點(diǎn)研發(fā)計(jì)劃(2021YFA0718600)、國家自然科學(xué)基金項(xiàng)目(41931073)、中科院地質(zhì)與地球物理研究所重點(diǎn)部署項(xiàng)目(IGGCAS-201904)和中科院青年創(chuàng)新促進(jìn)會(huì)優(yōu)秀會(huì)員(No. Y2021027)聯(lián)合資助。