地球磁層頂和等離子體層頂是太陽(yáng)風(fēng)-磁層-電離層耦合系統的關(guān)鍵外邊界和內邊界區域(圖1)。等離子體層頂動(dòng)力學(xué)是輻射帶、環(huán)電流和等離子體層之間耦合的一個(gè)重要指標。它對地磁活動(dòng)反應靈敏，與極光特征相關(guān)，并通過(guò)波粒相互作用影響環(huán)電流和輻射帶的高能粒子沉降。基于磁流體動(dòng)力學(xué)理論，Chen and Hasegawa（1974）提出作用于磁層頂和等離子體層頂的壓力脈沖可以激發(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(shí)間尺度脈沖驅動(dòng)經(jīng)常會(huì )導致超低頻波模式的復雜疊加，因此阻礙了后續的發(fā)展。通過(guò)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(guān)測證據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(yáng)風(fēng)、內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、空間天氣效應和波粒相互作用，許多關(guān)鍵問(wèn)題仍然尚未明確。先前的研究表明，起源于日側磁層頂的峰值頻率為1-2 mHz的MSE可以沿著(zhù)磁層頂表面自然地向磁尾傳輸，可能提供種子波動(dòng)，盡管沒(méi)有發(fā)生在開(kāi)爾文-亥姆霍茲不穩定性的主要增長(cháng)頻率，這些波動(dòng)隨后也會(huì )通過(guò)晨昏側的開(kāi)爾文-亥姆霍茲不穩定性增長(cháng)、合并和耗散。然而，在等離子體層頂上，無(wú)論是通過(guò)原位觀(guān)測還是數值模擬，PSW的空間演化模式都未得到解決。
針對這一問(wèn)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(diǎn)實(shí)驗室博士生周一甲在導師何飛研究員指導下，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(yáng)系統研究所Y. X. Hao博士，對一次中等地磁暴期間PSW的空間演變特征進(jìn)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的六顆衛星觀(guān)測數據(圖3)。通過(guò)對波和粒子特征的研究，準確地識別了驅動(dòng)PSW的源，并首次確定了PSW呈現種子區-增長(cháng)區-穩定區-衰減區四個(gè)階段的空間演化模式(圖4)。
圖2 2017年7月16日太陽(yáng)風(fēng)參數和衛星軌跡
文章主要結論總結如下：
（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，導致PSW的激發(fā)。這一觀(guān)點(diǎn)被質(zhì)子和氧離子能通量的準周期同步擾動(dòng)、AE指數的多重峰值以及近磁尾擾動(dòng)的極向波的同時(shí)觀(guān)測所證實(shí)。雖然之前的研究表明，在亞暴期間，PSW可能會(huì )被高能粒子注入所激發(fā)，但是該研究通過(guò)同時(shí)監測磁尾條件和黃昏側PSW進(jìn)一步識別了造成這種現象的粒子種類(lèi)。
（2）PSW的“種子區”的特點(diǎn)是角向磁場(chǎng)成分微弱的種子擾動(dòng)，伴隨著(zhù)等離子體層頂上強烈的擠壓特征。這可能與前人的日側低緯邊界層處的擠壓或橫向磁場(chǎng)波動(dòng)很可能作為激發(fā)晨昏側磁層頂上開(kāi)爾文-亥姆霍茲波的種子擾動(dòng)的理論相一致，盡管它們的傳播方向相反。
（3）PSW的“增長(cháng)區”的特點(diǎn)是主導的極向駐波成分和高能電子能通量的周期性調制，以及冷電子密度的不規則微弱擾動(dòng)和重的高能離子的無(wú)擾動(dòng)。在“穩定區”，充分發(fā)展的PSW表現為最顯著(zhù)的極向波和擠壓極向波以及中等強度的共轉波相耦合的混合波，其各個(gè)成分都表現出駐模特征。這種PSW可以周期性地調節高能電子、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(guò)比較，可以得出PSW強大的擠壓極向(極向)駐波對周期性調節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”的PSW以復合波的形式呈現，由共轉波和不穩定極向波共同主導，輔以局部擠壓特征，在等離子體層頂上留下零星的擾動(dòng)，但這種擾動(dòng)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(jiàn)。PSW的稀疏化在很大程度上可歸因于下午側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(chǎng)分量和增加的共轉磁場(chǎng)分量所表明的那樣。
圖3 由六顆衛星測量的PSW四階段演化的時(shí)間序列數據的概述
圖4 PSW四階段演化的磁場(chǎng)和速度場(chǎng)擾動(dòng)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(diǎn)研發(fā)計劃(2021YFA0718600)、中科院青促進(jìn)(Y2021027) 和UKRI (STFC/EPSRC) Stephen Hawking Fellowship (EP/T01735X/1)的聯(lián)合資助。
