水星是太陽(yáng)系中距離太陽(yáng)最近的一顆行星。上世紀(jì)70年代，水手10號(hào)兩次近距離掠飛水星，發(fā)現(xiàn)水星很可能存在全球偶極磁場(chǎng)。2011年，美國(guó)信使號(hào)成為首個(gè)環(huán)繞水星探測(cè)的飛船，并開啟了長(zhǎng)達(dá)四年的連續(xù)在軌監(jiān)測(cè)。信使號(hào)的觀測(cè)證實(shí)了水星存在一個(gè)較弱的全球偶極磁場(chǎng)，其磁偶極矩約為地球偶極矩的萬(wàn)分之四。這表明水星內(nèi)核磁場(chǎng)發(fā)電機(jī)要遠(yuǎn)弱于地球當(dāng)前內(nèi)核磁場(chǎng)發(fā)電機(jī)。與地球磁層類似，水星磁場(chǎng)與外部太陽(yáng)風(fēng)的相互作用也能形成一個(gè)磁層空腔，不過(guò)尺度遠(yuǎn)比地球磁層的?。s為地球磁層的5%）。所以水星磁層在某種程度上可近似看作是地球磁場(chǎng)變?nèi)鯐r(shí)候的磁層“樣本”。
眾所周知，地球偶極磁場(chǎng)能夠有效捕獲太陽(yáng)風(fēng)高能帶電粒子，使得地球免遭太陽(yáng)高能粒子的直接轟擊。捕獲的太陽(yáng)高能帶電粒子在偶極磁場(chǎng)的引導(dǎo)作用下會(huì)漂移（離子西向漂移，電子?xùn)|向漂移）形成一個(gè)環(huán)繞地球的西向環(huán)電流。當(dāng)出現(xiàn)太陽(yáng)風(fēng)暴的時(shí)候，西向環(huán)電流會(huì)顯著增強(qiáng)，并造成地表地磁場(chǎng)強(qiáng)度的下降（圖1）。
圖1 （左）地球磁層西向環(huán)電流形成示意圖；（右）增強(qiáng)的西向環(huán)電流引起地球空間磁暴，造成地表地磁場(chǎng)強(qiáng)度下降
由于水星磁層空間的觀測(cè)資料有限，人們通常認(rèn)為水星磁層不過(guò)就是地球磁層按比例縮小的“小號(hào)”版本，也應(yīng)該存在一個(gè)由捕獲離子形成并環(huán)繞水星的西向環(huán)電流。但有學(xué)者認(rèn)為若將地球環(huán)電流高能粒子放在水星偶極磁場(chǎng)中，那么水星環(huán)電流區(qū)域則應(yīng)對(duì)應(yīng)位于水星表面以下。所以，水星顯然是不可能存在環(huán)電流的。此外，由于水星向陽(yáng)面磁層高度壓縮，捕獲粒子也很難以絕熱粒子的形式形成閉環(huán)漂移運(yùn)動(dòng)。但另有學(xué)者則認(rèn)為，雖然高能粒子不易捕獲，但水星還是有可能捕獲較低能量的粒子，并且在一些觀測(cè)研究和模擬研究中發(fā)現(xiàn)了這樣的捕獲粒子。然而，對(duì)于這樣的捕獲粒子能不能形成西向環(huán)電流卻多年來(lái)一直懸而未知。
澄清水星是否具有西向環(huán)電流不僅對(duì)于認(rèn)識(shí)太陽(yáng)風(fēng)與水星相互作用，揭示水星空間等離子體物理過(guò)程具有重要科學(xué)意義，而且對(duì)于探索行星磁場(chǎng)演化在行星宜居環(huán)境中所扮演的角色也具有十分重要的意義。然而考慮到信使號(hào)等離子體儀器的視場(chǎng)有限，獲得的等離子體整體速度、密度、溫度等參量存在一定誤差，這對(duì)于直接分析離子的漂移運(yùn)動(dòng)帶了困難。此外，就算離子漂移運(yùn)動(dòng)能環(huán)繞水星形成閉合路徑，如何評(píng)估這些漂移離子是否帶來(lái)顯著的西向環(huán)電流也是非常困難的。
為了解決這一重大難題，中國(guó)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)室的博士生石振在導(dǎo)師戎昭金研究員、魏勇研究員的指導(dǎo)下，與瑞典于默奧大學(xué)、美國(guó)密歇根大學(xué)等機(jī)構(gòu)的多位國(guó)際學(xué)者合作，提出可通過(guò)計(jì)算信使號(hào)測(cè)量到磁場(chǎng)的平均旋度，進(jìn)而反演水星空間電流分布，進(jìn)而確認(rèn)水星空間是否存在顯著的西向環(huán)電流（因?yàn)轱@著的環(huán)電流會(huì)產(chǎn)生顯著的磁場(chǎng)擾動(dòng)）。
通過(guò)對(duì)信使號(hào)近4年的磁場(chǎng)統(tǒng)計(jì)分析，他們的研究顯示水星磁層內(nèi)部并不存在類似于地球磁層的西向電流環(huán)帶；然而卻驚人地發(fā)現(xiàn)在水星夜側(cè)磁赤道附近，～500-1000 km高度范圍內(nèi)存在一個(gè)明顯的東向電流（JEC，圖2）。該東向電流主要集中在磁赤道面上，自西向東運(yùn)轉(zhuǎn)，并與向陽(yáng)面的磁層頂電流（JCF）閉合形成回路。進(jìn)一步的模擬研究不僅證實(shí)了他們的分析結(jié)論，而且還顯示出該東向電流能永久性地存在于任意太陽(yáng)風(fēng)條件下。
圖2 水星磁層電流體系示意圖，其中JEC為研究發(fā)現(xiàn)的東向電流
結(jié)合模擬及相關(guān)分析計(jì)算，他們提出了東向電流的形成機(jī)理（圖3）：太陽(yáng)風(fēng)離子通過(guò)擴(kuò)散作用從磁層兩側(cè)進(jìn)入水星磁層，在磁場(chǎng)的引導(dǎo)作用下，在夜側(cè)磁赤道面附近形成準(zhǔn)捕獲等離子體帶；在等離子體帶的內(nèi)側(cè)，徑向向外的等離子體壓力梯度與磁場(chǎng)共同驅(qū)動(dòng)了東向抗磁電流。
圖3 東向電流形成機(jī)制示意圖
東向電流的發(fā)現(xiàn)更新了人們對(duì)水星磁層電流體系的傳統(tǒng)認(rèn)知，澄清了多年的科學(xué)謎題——水星至少不顯著存在類似地球磁層的西向環(huán)電流，表明人們不能簡(jiǎn)單地將水星磁層視為地球磁層的“小號(hào)”版本。此外，水星東向電流的發(fā)現(xiàn)對(duì)于理解水星發(fā)電機(jī)演化、系外行星空間等離子體環(huán)境，并指導(dǎo)后續(xù)BepiColombo水星計(jì)劃的科學(xué)探測(cè)也具有重要的科學(xué)意義。
研究成果發(fā)表于國(guó)際學(xué)術(shù)期刊 Geophysical Research Letters （石振, 戎昭金*, Fatemi S, Slavin J A, Klinger L, Dong C, Wang L,鐘俊,Raines J M, Holmstrom M, 袁憧憬, Barabash S, 魏勇. An Eastward Current Encircling Mercury[J]. Geophysical Research Letters, 2022: e2022GL098415. DOI: 10.1029/2022GL098415）。該研究受到中國(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。