太阳风是来自太阳的带电粒子流，持续不断地压缩地球磁场的磁力线而形成的空间称为地球磁层。磁层顶为磁层的外边界，向阳侧呈一椭球面，背阳侧是向外略张开的圆筒形，该圆筒所围成的空腔称磁尾。在日地连心线向阳的一侧，磁层顶距地心约为10个地球半径。
    太阳风的物质和能量是如何进入地球磁层？
    如何驱动磁层中等离子体的对流运动？
    磁层中的能量是如何输运、存储和耗散的？
    这一系列问题一直是太阳风-磁层耦合的前沿科学问题，对于我们了解磁层空间基本物理过程和空间天气预报具有重要的科学和应用价值。近日，中国科学院国家空间科学中心太阳活动与空间天气重点实验室的戴磊研究员、王赤院士以及国际团队成员密切合作，首次提出和证实了日侧磁重联直接驱动磁层大尺寸对流的新模式。相关研究成果于2024年1月20日在《自然·通讯》在线发表。
    等离子体物质的全球尺度对流是行星（地球）磁层的基本特征。磁层大尺度对流循环的经典模式（Dungey Cycle）自20世纪60年代提出以来，一直是太阳风-磁层耦合的基本物理图像，在地球空间能量爆发事件（如磁暴、亚暴）等空间天气现象中发挥着关键作用。然而，这一教科书的经典对流循环模型预言了等离子体对流周期一般在小时量级，在解释10到20分钟的快速响应对流事件时遇到了困难。
    在本研究中，研究团队深入分析了磁层对2016年3月11日太阳风的响应，揭示了日侧磁重联直接驱动双胞对流模式的新图像（图1所示）。通过数值模拟（见图2）和观测数据分析（见图3），研究人员发现日侧磁重联通过激发1区和2区场向电流直接驱动磁层内的向日对流，对流增强在10-20分钟内从日侧逐渐扩展到夜侧。值得注意的是，这一过程在行星际磁场从北转南后几乎是即时发生的，夜侧磁重联在这一时段并没有影响对流模式，而在磁层经典对流循环模型中，日侧和夜侧磁重联两个驱动必须一起联合运作。

图1：日侧驱动的磁层对流的示意图。

图2：场向电流和磁层对流速度在东西向演变的数值模拟结果。

图3：磁层和电离层观测结果。SuperDARN观测显示，在行星际磁场转南后，磁层的双胞对流在10-20分钟内迅速增强，直接驱动亚磁暴。

    本研究表明日侧和夜侧磁重联可以相互独立地驱动磁层大尺度对流，并提出了经典对流循环模型外的新物理图像，支持了现代的扩展/收缩极盖模型和直驱亚暴模型的预期。本研究强调了大尺度场向电流和等离子体对流在太阳风-磁层耦合中的关键作用，所提出的新物理图像可以在预期2025年发射的中欧联合空间科学卫星项目“微笑计划”（SMILE）任务中得到进一步检验。

图4：SMILE任务徽标

    这项研究得到了国家自然科学基金基础科学中心项目（42188101）、面上项目42174207，中国科学院空间科学战略先导专项二期（XDA15350201、XDA15052500）等项目的支持。

论文链接：https://doi.org/10.1038/s41467-024-44992-y

来源：国家空间科学中心 天气室