太陽風與地球磁場的相互作用會在地球夜側(cè)形成大尺度拉伸的磁尾結(jié)構(gòu)，太陽風輸入能量的90%以磁能形式存儲在磁尾，磁尾南北部分的磁場方向互為反向，而中間反向過渡的區(qū)域則形成磁尾電流片。前人大量的研究表明，地球磁尾中的磁場常處于振蕩狀態(tài)，振蕩是由于磁尾電流片的上下“拍動”而形成，波幅能達2-3個地球半徑，周期約為10分鐘，在午夜中心處激發(fā)向晨昏兩側(cè)傳播。除了地球，對于金星或火星這樣不存在全球偶極磁場的行星，太陽風與其相互作用也能形成磁尾結(jié)構(gòu)，但其磁尾是由太陽風磁場與行星電離層發(fā)生相對運動而“感應”形成，并非地球那樣由內(nèi)稟偶極磁場受太陽風拉伸形成。最近的研究表明，金星或火星的感應磁尾也存在磁尾磁場的振蕩現(xiàn)象，并且發(fā)現(xiàn)振蕩源應在晨昏兩側(cè)附近，而非地球磁尾那樣在午夜中心。
金星、地球以及火星磁尾普遍存在磁場振蕩的現(xiàn)象，表明太陽風能量能夠以大尺度磁場波動的形式在行星空間環(huán)境中進行釋放和傳播（圖1）。是何種機制觸發(fā)了磁尾磁場振蕩？地球磁尾振蕩源的位置為何又與金星或火星如此不同，這是否又取決于行星是否具有內(nèi)稟磁尾？解決這一問題對于認識太陽風能量在行星磁層中存儲和釋放的物理過程具有重大意義。
圖1 地球與金星磁尾結(jié)構(gòu)及其磁場振蕩比較示意圖。地球磁尾磁場振蕩的源位于午夜中心，而金星磁尾磁場振蕩的源則位于磁尾兩側(cè)翼
水星是除地球外，太陽系內(nèi)唯一具有全球內(nèi)稟磁場的類地行星，其磁矩約為地球的千分之一。太陽風與水星的相互作用能形成類似地球磁尾一樣的內(nèi)稟磁尾，也存在許多類似地球磁尾中的動力學現(xiàn)象（如圖2所示），包括磁尾磁場振蕩。為對比探究行星磁尾磁場振蕩的一般物理機制，非常有必要對水星磁尾磁場的振蕩行為開展系統(tǒng)性分析研究。中科院地質(zhì)與地球物理所地球與行星物理院重點實驗室的張馳博士及其合作導師戎昭金副研究員等利用自主開發(fā)的單點衛(wèi)星磁場分析方法，對信使號飛船（MESSENGER）在2011.5-2015.4期間觀測到的水星磁尾磁場振蕩事件進行了詳細的分析研究。發(fā)現(xiàn)：（1）水星磁尾電流片磁場的振蕩周期約為8～20秒（圖3a），遠小于地球磁尾10-20分鐘的振蕩周期；（2）磁場的振蕩幅度在磁尾兩側(cè)翼較大（圖3b）；（3）振蕩形成波動的傳播方向指示振蕩源在磁尾兩側(cè)翼處（圖3d）。研究結(jié)果表明，太陽風會通過水星磁尾側(cè)翼處的某種動力學活動快速激發(fā)磁場振蕩，激發(fā)形成的磁場波動以阻尼波的形式從磁尾兩側(cè)翼向中心處傳播。
圖2 水星磁層結(jié)構(gòu)
圖3 （a）磁尾磁場的振蕩周期；（b）振蕩幅度；（c）磁尾電流片法向的傾角；（d）振蕩的不同類型及傳播方向
對比水星、金星、地球以及火星的磁尾振蕩分析研究，他們還提出了行星磁尾磁場振蕩行為隨發(fā)電機變化的演化圖像：
（1）當行星具有較大磁矩時，行星磁場能有效保護行星大氣（地球情形），行星極區(qū)電離層物質(zhì)可通過開放磁力線上行到午夜附近的磁尾電流片中，由于電離層上行物質(zhì)沖擊電流片的壓強存在南北不對稱，進而在午夜附近形成上下振蕩，并形成波動從午夜中心向兩側(cè)翼傳播。
（2）當行星的磁矩減弱到很小時，行星磁場不能有效保護行星大氣，行星大氣基本缺失時（水星情形）， 外部太陽風可通過邊界上的某種活動驅(qū)動磁尾磁場振蕩，形成波動傳輸進入水星磁尾。
（3）當行星基本缺失磁場，但還存有行星大氣時（金星與火星情形），太陽風直接與行星大氣發(fā)生相互作用，太陽風能量容易通過邊界層活動以磁場振蕩形式傳輸進入。
成果發(fā)表于國際權(quán)威學術(shù)期刊Geophysical Research Letters。(Zhang C, Rong Z J*, Gao J W, Zhong J, Chai L H, Wei Y, Shen C, Wan W X. The flapping motion of Mercury's magnetotail current sheet: MESSENGER observations[J]. Geophysical Research Letters, 2020: e2019GL086011. DOI: 10.1029/2019GL086011) （原文鏈接）