地球磁層頂和等離子體層頂是太陽風(fēng)-磁層-電離層耦合系統(tǒng)的關(guān)鍵外邊界和內(nèi)邊界區(qū)域(圖1)。等離子體層頂動力學(xué)是輻射帶、環(huán)電流和等離子體層之間耦合的一個重要指標。它對地磁活動反應(yīng)靈敏，與極光特征相關(guān)，并通過波粒相互作用影響環(huán)電流和輻射帶的高能粒子沉降?；诖帕黧w動力學(xué)理論，Chen and Hasegawa（1974）提出作用于磁層頂和等離子體層頂?shù)膲毫γ}沖可以激發(fā)這些根植于共軛電離層的有限邊界層表面上的離散頻率本征模式。然而，短時間尺度脈沖驅(qū)動經(jīng)常會導(dǎo)致超低頻波模式的復(fù)雜疊加，因此阻礙了后續(xù)的發(fā)展。通過星載和地面聯(lián)合儀器，直到最近幾年才捕捉到直接、確鑿的觀測證據(jù)表明磁層頂表面特征模態(tài)(MSE)和等離子體層頂表面波(PSW)存在。
圖1 太陽風(fēng)、內(nèi)磁層和電離層耦合中的超低頻波(摘自Usanova and Shprits，2016)
然而，關(guān)于PSW的激發(fā)、演化、頻率選擇、空間天氣效應(yīng)和波粒相互作用，許多關(guān)鍵問題仍然尚未明確。先前的研究表明，起源于日側(cè)磁層頂?shù)姆逯殿l率為1-2 mHz的MSE可以沿著磁層頂表面自然地向磁尾傳輸，可能提供種子波動，盡管沒有發(fā)生在開爾文-亥姆霍茲不穩(wěn)定性的主要增長頻率，這些波動隨后也會通過晨昏側(cè)的開爾文-亥姆霍茲不穩(wěn)定性增長、合并和耗散。然而，在等離子體層頂上，無論是通過原位觀測還是數(shù)值模擬，PSW的空間演化模式都未得到解決。
針對這一問題，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實驗室博士生周一甲在導(dǎo)師何飛研究員指導(dǎo)下，聯(lián)合堯中華特聘研究員、戎昭金研究員、魏勇研究員，國家衛(wèi)星氣象中心的張效信研究員、以及英國帝國理工大學(xué)的Martin Archer教授、德國馬克-普朗克太陽系統(tǒng)研究所Y. X. Hao博士，對一次中等地磁暴期間PSW的空間演變特征進行了綜合分析(圖2)。這項研究巧妙地利用了在等離子體層頂?shù)牧w衛(wèi)星觀測數(shù)據(jù)(圖3)。通過對波和粒子特征的研究，準確地識別了驅(qū)動PSW的源，并首次確定了PSW呈現(xiàn)種子區(qū)-增長區(qū)-穩(wěn)定區(qū)-衰減區(qū)四個階段的空間演化模式(圖4)。
圖2 2017年7月16日太陽風(fēng)參數(shù)和衛(wèi)星軌跡
文章主要結(jié)論總結(jié)如下：
（1）能量在0.1-10 keV之間的高能質(zhì)子和氧離子周期性注入能夠作用于陡峭的等離子體層頂邊界，導(dǎo)致PSW的激發(fā)。這一觀點被質(zhì)子和氧離子能通量的準周期同步擾動、AE指數(shù)的多重峰值以及近磁尾擾動的極向波的同時觀測所證實。雖然之前的研究表明，在亞暴期間，PSW可能會被高能粒子注入所激發(fā)，但是該研究通過同時監(jiān)測磁尾條件和黃昏側(cè)PSW進一步識別了造成這種現(xiàn)象的粒子種類。
（2）PSW的“種子區(qū)”的特點是角向磁場成分微弱的種子擾動，伴隨著等離子體層頂上強烈的擠壓特征。這可能與前人的日側(cè)低緯邊界層處的擠壓或橫向磁場波動很可能作為激發(fā)晨昏側(cè)磁層頂上開爾文-亥姆霍茲波的種子擾動的理論相一致，盡管它們的傳播方向相反。
（3）PSW的“增長區(qū)”的特點是主導(dǎo)的極向駐波成分和高能電子能通量的周期性調(diào)制，以及冷電子密度的不規(guī)則微弱擾動和重的高能離子的無擾動。在“穩(wěn)定區(qū)”，充分發(fā)展的PSW表現(xiàn)為最顯著的極向波和擠壓極向波以及中等強度的共轉(zhuǎn)波相耦合的混合波，其各個成分都表現(xiàn)出駐模特征。這種PSW可以周期性地調(diào)節(jié)高能電子、等離子體層冷電子密度和重的高能質(zhì)子、氧甚至氦離子。通過比較，可以得出PSW強大的擠壓極向(極向)駐波對周期性調(diào)節(jié)冷電子密度和各種離子能通量(高能電子能通量)至關(guān)重要。
（4）“衰減區(qū)”的PSW以復(fù)合波的形式呈現(xiàn)，由共轉(zhuǎn)波和不穩(wěn)定極向波共同主導(dǎo)，輔以局部擠壓特征，在等離子體層頂上留下零星的擾動，但這種擾動在高能電子、冷等離子體層電子和重的高能離子中仍然可見。PSW的稀疏化在很大程度上可歸因于下午側(cè)等離子體層頂附近的高能環(huán)電流離子壓力的降低，正如零星的擠壓磁場分量和增加的共轉(zhuǎn)磁場分量所表明的那樣。
圖3 由六顆衛(wèi)星測量的PSW四階段演化的時間序列數(shù)據(jù)的概述
圖4 PSW四階段演化的磁場和速度場擾動的波模特征
研究成果發(fā)表于國際學(xué)術(shù)期刊GRL(周一甲，何飛*，Martin O. Archer，張效信，Y. X. Hao，堯中華，戎昭金，魏勇. Spatial Evolution Characteristics of Plasmapause Surface Wave during a Geomagnetic Storm on July,?16,2017 [J].?Geophysical Research Letters,?2024. DOI:10.1029/2024GL109371)。研究得到國家自然科學(xué)基金項目(42222408,41931073)、中國科技部重點研發(fā)計劃(2021YFA0718600)、中科院青促進(Y2021027) 和UKRI (STFC/EPSRC) Stephen Hawking Fellowship (EP/T01735X/1)的聯(lián)合資助。
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