在地球磁層空間中存在一種沿磁場(chǎng)方向流動(dòng)的空間電流，人們稱之為場(chǎng)向電流。場(chǎng)向電流可沿磁力線，由磁層下行流入極區(qū)電離層，與電離層電流閉合后，又由極區(qū)電離層上行流向磁層空間中（圖1）。場(chǎng)向電流在太陽(yáng)風(fēng)-磁層-電離層的耦合體系中具有重要的作用，它既是磁層空間電磁能量傳輸?shù)闹饕ǖ溃彩强臻g等離子體物質(zhì)輸運(yùn)的重要橋梁。
圖1 地球磁層空間中場(chǎng)向電流的結(jié)構(gòu)示意圖
地球的大尺度場(chǎng)向電流依據(jù)其分布形態(tài)大體可以分為三類：1區(qū)場(chǎng)向電流，2區(qū)場(chǎng)向電流，以及NBZ場(chǎng)向電流（圖2）。地球場(chǎng)向電流通過電離層完成閉合。1區(qū)場(chǎng)向電流從晨側(cè)流入電離層，從昏側(cè)流出電離層；2區(qū)場(chǎng)向電流則分布在1區(qū)場(chǎng)向電流的赤道側(cè)，它從昏側(cè)流入電離層，從晨側(cè)流出。NBZ場(chǎng)向電流在正午附近1區(qū)場(chǎng)向電流的極向側(cè)，從午后流入電離層，從午前流出電離層。大量研究表明，地球場(chǎng)向電流的分布會(huì)顯著受太陽(yáng)風(fēng)磁場(chǎng)方向的調(diào)制。
圖2 三種大尺度的地球場(chǎng)向電流。(a)1區(qū)場(chǎng)向電流，(b)2區(qū)場(chǎng)向電流，(c)NBZ場(chǎng)向電流。(d)1區(qū)和2區(qū)場(chǎng)向電流在極區(qū)的分布。(c)1區(qū)和NBZ場(chǎng)向電流在極區(qū)的分布
大量研究表明，水星雖具有與地球磁層類似的磁層結(jié)構(gòu)，但水星本身卻不具有電離層。由于缺乏電離層電流的閉合，所以長(zhǎng)期以來人們通常認(rèn)為水星不具有地球那樣的大尺度場(chǎng)向電流。然而近年來，通過對(duì)信使號(hào)數(shù)據(jù)的統(tǒng)計(jì)分析，人們發(fā)現(xiàn)水星空間可能同樣存在大尺度場(chǎng)向電流。為了使水星場(chǎng)向電流閉合，有人提出水星場(chǎng)向電流可穿透到行星內(nèi)部，通過水星內(nèi)部導(dǎo)電物質(zhì)完成閉合（圖3）。
那水星場(chǎng)向電流是不是真的能通過星球內(nèi)部導(dǎo)電物質(zhì)閉合？若能，那水星內(nèi)部物質(zhì)導(dǎo)電率的高低如何影響場(chǎng)向電流的建立？建立起來的場(chǎng)向電流分布形態(tài)會(huì)不會(huì)也顯著受控于外部太陽(yáng)風(fēng)磁場(chǎng)的方向？具體如何受控，與地球的一樣嗎？
圖3 水星場(chǎng)向電流的統(tǒng)計(jì)分布（左上），其閉合路徑（左下），以及水星磁層示意圖（右）
由于目前水星的衛(wèi)星觀測(cè)數(shù)據(jù)非常有限，對(duì)于水星場(chǎng)向電流的這一系列重要科學(xué)問題還沒法從觀測(cè)上給予確切回答。為深入研究水星場(chǎng)向電流，分析水星內(nèi)部電導(dǎo)率剖面和太陽(yáng)風(fēng)磁場(chǎng)方向?qū)λ菆?chǎng)向電流分布的影響，中國(guó)科學(xué)院地質(zhì)與地球物理研究所的石振博士后與合作導(dǎo)師戎昭金研究員等，聯(lián)合瑞典于默奧大學(xué)、瑞典空間物理所、美國(guó)密歇根大學(xué)、波士頓大學(xué)等多位國(guó)際學(xué)者，使用等離子三維混雜模擬程序?qū)λ菆?chǎng)向電流開展了系統(tǒng)研究。他們模擬分析了三種不同水星星體電導(dǎo)率剖面和六種不同太陽(yáng)風(fēng)磁場(chǎng)方向?qū)λ菆?chǎng)向電流的影響。
模擬結(jié)果顯示，水星高電導(dǎo)率的核有助于場(chǎng)向電流閉合，但要建立起顯著的場(chǎng)向電流，水幔和水殼的電導(dǎo)率也不能過低。在高電導(dǎo)率水核與平均電導(dǎo)率為 量級(jí)的水幔水殼組成的電導(dǎo)率剖面下，水星場(chǎng)向電流可以顯著建立。模擬結(jié)果還顯示，水星同樣會(huì)出現(xiàn)三類大尺度的場(chǎng)向電流結(jié)構(gòu)：1區(qū)、2區(qū)和NBZ場(chǎng)向電流。水星場(chǎng)向電流對(duì)太陽(yáng)風(fēng)磁場(chǎng)方向的響應(yīng)與地球場(chǎng)向電流相似，但2區(qū)場(chǎng)向電流的響應(yīng)方式則有所不同。在地球上，2區(qū)場(chǎng)向電流在太陽(yáng)風(fēng)磁場(chǎng)南向時(shí)候更顯著，在北向時(shí)稍弱；而模擬顯示，水星2區(qū)場(chǎng)向電流在太陽(yáng)風(fēng)磁場(chǎng)南向時(shí)幾乎不出現(xiàn)，而北向時(shí)，則顯著存在。這是一個(gè)非常有意思的發(fā)現(xiàn)，可能與水星夜側(cè)的等離子體帶有關(guān)，不過仍需進(jìn)一步的觀測(cè)證據(jù)。
此外，模擬還顯示，在水星大尺度場(chǎng)向電流中，1區(qū)場(chǎng)向電流占主導(dǎo)，這與前人的統(tǒng)計(jì)結(jié)果是一致的。模擬顯示，1區(qū)場(chǎng)向電流從晨側(cè)流向水星，穿透水殼和水幔后與高電導(dǎo)率的水核接觸，并在水核表面向昏側(cè)傳導(dǎo)，在昏側(cè)電流穿出水幔和水殼，進(jìn)而流出形成1區(qū)場(chǎng)向電流的另一支（圖4）。另外，對(duì)模擬結(jié)果的計(jì)算分析還發(fā)現(xiàn)，水星1區(qū)場(chǎng)向電流的閉合需要水星提供 的有效電導(dǎo)，這與前人通過觀測(cè)數(shù)據(jù)計(jì)算到的 是接近的。
圖4 水星場(chǎng)向電流在晨昏平面內(nèi)分布的模擬結(jié)果
從模擬結(jié)果來看，水星磁層雖與地球磁層相似，但也具有一些獨(dú)特性。相似性體現(xiàn)在二者都擁有三種大尺度的場(chǎng)向電流，并且場(chǎng)向電流對(duì)太陽(yáng)風(fēng)磁場(chǎng)方向的響應(yīng)與地球的比較類似。而獨(dú)特性體現(xiàn)在水星場(chǎng)向電流需通過星球內(nèi)部來完成閉合，水星2區(qū)場(chǎng)向電流在北向太陽(yáng)風(fēng)磁場(chǎng)條件下更為顯著。需要注意的是，目前這些研究結(jié)果是基于有限水星觀測(cè)和數(shù)值模擬的推理，還需要進(jìn)一步的觀測(cè)數(shù)據(jù)加以佐證和深入分析。這也為即將入軌的貝皮科倫布水星探測(cè)計(jì)劃提供了重要的科學(xué)參考。
研究成果發(fā)表于國(guó)際學(xué)術(shù)期刊 JGR: Planets（石振,戎昭金*， J.,Fatemi,S.,董川飛,Klinger,L.,高佳維,J. A. Slavin,何飛,魏勇,M. Holmstr?m,S. Barabash. Mercury's field‐aligned currents: Perspectives from hybrid simulations[J]. Journal of Geophysical Research: Planets,?2025,130:? e2024JE008610. DOI: 10.1029/2024JE008610.）。研究受到中國(guó)科學(xué)院戰(zhàn)略性先導(dǎo)科技專項(xiàng)（XDB 41000000)，國(guó)家自然科學(xué)基金項(xiàng)目（41922031,41774188），中國(guó)科學(xué)院地質(zhì)與地球物理研究所重點(diǎn)部署項(xiàng)目（IGGCAS-201904,IGGCAS-202102），中科院重點(diǎn)部署項(xiàng)目（ZDBS-SSW-TLC00103）的資助。
石振（博士后）