【儀表網 研發快訊】行星邊界動力學是控制行星系統多圈層能量耦合效率的關鍵因素，當受到外源或內源擾動時，在邊界層附近會產生一種周期性的本征頻率的震蕩模式，沿著磁力線向南北電離層傳播、反射和疊加，形成接近場向駐波的特征，被稱為表面波。由于表面波具有全球尺度特征，并且能夠和全球模共振和場線共振發生能量耦合，因此能夠直接或間接地調控整個行星空間的粒子能量和電磁能量分布。
監控這種邊界動力學能夠診斷整個行星系統對太陽風的響應程度。但是由于探測這種全球尺度的表面波需要多衛星聯合共軛觀測，而且也容易受到其他頻率接近的超低頻波的疊加干擾，因此目前為止邊界層表面波的直接觀測證據仍然十分稀少。為此，研究者一直期望尋求能夠準確反映邊界動力學的系列電離層特征，其中絢麗多彩的極光就是一個非常合適的選擇。
在一系列由不同磁層源區、不同加速機制、不同電離層背景所共同決定的且隨時間、空間、尺度快速演化的紛繁復雜的極光中，要準確識別邊界表面波的效應極其困難，以至于磁層頂表面波的電離層極光特征時至今日仍未確定，而位于等離子體層頂附近的等離子體層頂表面波直到近年來才被確定為一種鋸齒極光。雖然等離子體層頂表面波——鋸齒極光被觀測到具有同樣的周期和環向傳播速度，但是表面波是如何將這種特殊震蕩信號傳播到電離層極光這一核心中間過程并不清晰。
為了解決這個問題，首先要精確探究直接形成鋸齒極光的粒子沉降模式。中國科學院地質與地球物理研究所地球與行星物理院重點實驗室博士生周一甲與導師何飛研究員等，對一次中等地磁暴期間鋸齒極光的電離層特征進行了綜合分析。之所以能分析，是因為四顆DMSP衛星和一顆NOAA衛星在30分鐘的時間內依次穿過了不同鋸齒結構的上方(圖1)。通過對低能和高能沉降粒子、磁場擾動、伴隨的亞極光極化流、場向電流等特征的研究，研究人員確定了鋸齒極光上方存在的特殊的粒子沉降特征(圖2)，主要研究結論如下:
(1)鋸齒極光是由兩區域粒子沉降模式所點亮，其主體核心區域主要是由高能粒子沉降所驅動，其邊緣是由低能電子(<1 keV)所驅動；
(2)除了<30 keV的粒子沉降，鋸齒極光的發生也伴隨著高達幾百keV的高能質子和電子沉降，這表明表面波可以促進高能粒子沉降向更低緯度區域沉降；
(3)首次提供了鋸齒極光尺度隨亞極光極化流強度的正相關演化證據；
(4)鋸齒極光上方磁場三分量被同時劇烈擾動，符合前人證明的成熟表面波是由極化波、擠壓波和共轉波耦合而成的一種復合波。
圖1 2015年9月7號多顆極軌衛星短時間內依次穿越鋸齒極光示意圖
圖2 DMSP和NOAA衛星穿過鋸齒極光觀測到的電離層參量特征圖。(a)質子極光圖像；(b)LBH波段極光圖像；(c)電子沉降能譜；(d)離子沉降能譜；(e)電離層背景等離子體密度；(f)電子和離子溫度；(g)離子漂移速度；(h)磁場擾動；(i)場向電流；(j-m)高能電子和質子通量
綜上，該研究首次呈現了等離子體層頂表面波發生期間的粒子沉降特征，預示發生表面波是局地存在復雜的波粒相互作用，這對于進一步理解內磁層邊界動力學具有重要意義。
研究成果發表于國際學術期刊GRL (周一甲，何飛*，Xiao-Xin Zhang，Yong-Liang Zhang，劉立波，堯中華，戎昭金，魏勇. Special particle precipitation signatures over giant auroral undulations during the 7 September 2015 geomagnetic storm[J]. Geophysical Research Letters, 2024, 51(14): e2024GL109849. DOI: 10.1029/2024GL109849.)。本研究得到國家自然科學基金項目(42222408, 41931073)、中國科技部重點研發計劃(2021YFA0718600)和中科院青促會(No. Y2021027)的聯合資助。
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