邊界動力學能夠控制系統(tǒng)物質(zhì)、能量和動量的動態(tài)平衡，以及系統(tǒng)內(nèi)多圈層耦合效率。對于地球空間系統(tǒng)來說，從外到內(nèi)存在磁層頂和等離子體層兩個重要邊界。磁層頂動力學主要由太陽風與地球磁場相互作用決定，受到太陽風、激波、磁鞘噴流等周期性或脈沖性轟擊會產(chǎn)生全球或局部的磁層頂壓縮和恢復，其中磁層頂?shù)闹芷谛钥焖僬鹗幠Ｊ娇赡苄纬纱艑禹敱砻姹菊髂?。等離子體層頂動力學主要由共轉電場和對流電場相互作用決定，受到磁暴期間增強對流電場的作用而快速剝蝕后退，隨后緩慢填充恢復。亞暴高能粒子能夠在等離子體層頂附近激發(fā)多種尺度的邊界動力學現(xiàn)象，包含各種波動、不穩(wěn)定性和結構等。當亞暴高能粒子注入具有超低頻的周期性特征時，在昏側等離子體層頂上可能激發(fā)等離子體層頂表面波（PSWs），其表現(xiàn)為昏側等離子體層頂?shù)拇蟪叨瓤焖僬鹗幠Ｊ?。磁層頂和等離子體層頂?shù)倪@類大尺度快速震蕩行為明顯優(yōu)于目前主流模型假設的準靜態(tài)和緩慢線性變化的邊界層條件，對于完善目前空間物理主流的三維全球模型具有重要價值。
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PSWs的電離層表現(xiàn)形式為巨型極光波動（GUs）。GUs位于電離層昏側彌散極光卵的赤道向邊界，表現(xiàn)為一類鋸齒狀或波狀的極光形態(tài)。雖然PSWs-GUs之間的緊密關系被通過事例和統(tǒng)計分析證實，但兩者之間的物理過程和機制并不清楚。前人注意到PSWs能夠調(diào)制電子回旋諧波和嘶聲波的強度，因此猜測后者可以進一步周期性地散射沉降高能粒子形成GUs。由于PSWs-GUs共軛觀測難度的限制，目前從PSWs到GUs的完整物理過程和機制仍然懸而未決。
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為此，中國科學院地質(zhì)與地球物理研究所行星科學與前沿技術實驗室周一甲博士和何飛研究員等人，聯(lián)合山東大學（威海）、中國氣象局、香港大學、以及美國約翰霍普金斯大學等單位的研究人員，通過磁層-電離層共軛觀測對一個中等地磁暴期間的PSWs-GUs現(xiàn)象進行深入分析。研究結果表明，GUs由<1keV的熱電子和熱離子以及幾十keV的高能離子的投擲角散射沉降所直接激發(fā)的，散射電子和離子的一個PSW周期內(nèi)的通量和能量能夠決定GUs的尺度和亮度；而這種周期性的電子散射沉降是由PSWs調(diào)制的周期性時域結構所造成的。總結來說，昏側PSWs通過調(diào)制時域結構的強度，進而周期性地散射和沉降粒子，最終形成電離層Gus（圖1）。這種物理過程明顯不同于前人的預測，凸顯了PSWs-GUs背后復雜的物理機制。本研究為連接磁層PSWs和電離層GUs構建了物理機制橋梁，揭示了PSWs在磁層-電離層耦合和空間天氣中扮演的關鍵角色。
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圖1 PSWs調(diào)制的時域結構散射電子和離子概念圖
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研究成果發(fā)表于國際學術期刊GRL（周一甲，Pei-Heng Du , 劉健, 史全岐, 郭夢丹, 何飛*, 張效信, Yong-Liang Zhang, 堯中華, 鐘俊, 戎昭金, 魏勇. Giant Undulations Driven by Pitch-Angle Scattering of Time Domain Structures Modulated by Plasmapause Surface Wave[J]. Geophysical Research Letters, 2025, 52(3):e2024GL111782. DOI: 10.1029/2024GL111782.）。研究得到國家自然科學基金項目(42222408, 42441809)、中國科技部重點研發(fā)計劃(2021YFA0718600)和中科院青促進(Y2021027)的聯(lián)合資助。