磁层顶磁重联是强磁暴期间太阳风质量、动量和能量进入地球磁层的关键物理过程；还是触发强磁活动期间太阳风–磁层–电离层多尺度耦合的“启动器”。磁层顶磁重联的显著特征是具有非对称的磁重联结构，这种非对称性主要源于磁层顶内外边界层等离子体和磁场的不均匀性：磁层侧低纬边界层通常包含高温、低密度的等离子体，而磁鞘侧则以低温、高密度等离子体为主，从而形成典型的非对称Hall电磁场结构。此外，能量氧离子（O⁺）因其较大的质量与回旋半径，在磁重联过程中进一步加剧了该非对称效应，使磁层顶磁重联的结构和动力学更加复杂。
    在近地磁层空间中，能量O+离子是强磁暴期间环电流演化过程中的主导性离子成分。在超强磁暴事件中，能量O+离子可携带超过50%的环电流能量密度。这些O+离子起源于电离层，在上行和向内磁层输运过程中被有效加速并注入环电流，导致强磁暴主相期间Dst指数快速下降。而环电流中能量O+离子的损失是其衰减的关键途径之一，并驱动强磁暴快速恢复。强磁暴期间磁层顶及其边界层中O+离子数密度可高达约0.3 cm-3 (Duan et al.,2025)，远高于平静期的典型值 (约0.01 cm-3 ; Zeng et al.,2020)。这些高密度能量O+离子对磁层顶磁重联离子扩散区的动力学产生重要影响，已成为当前磁层物理研究的热点与前沿问题之一。
    近日，中国科学院国家空间科学中心太阳活动与空间天气全国重点实验室王赤院士团队的博士生张安馨、段素平研究员和戴磊研究员等人，利用磁层多尺度任务（MMS）卫星高分辨数据，首次成功获得2024年超强磁暴期间能量O+离子对磁层顶磁重联离子扩散区动力学过程影响的观测证据。相关成果已经发表在Geophysical Research Letters上。
    该研究首次直接观测到在2024年5月超级磁暴期间，日侧磁层顶磁重联过程中存在一个富含高密度O+离子的离子扩散区（IDR）。该区域O+离子密度高达约3.3 cm-3，这为研究重离子在磁层顶磁重联中的动力学行为提供了关键观测依据。在IDR附近，增强的霍尔电场显著驱动O+离子沿法向方向加速；其畸变的离子速度分布揭示了IDR内部复杂的粒子能量化机制。尤为重要的是，这些O+离子的动力学效应可使磁重联率降低约10.3%–25.3%，表明在超级磁暴条件下，重离子能够显著调制磁层顶磁重联的物理过程。本研究通过证实磁暴期间增强的O+离子丰度可改变扩散区结构、粒子能量化特性及磁重联率，显著深化了我们对磁层顶磁重联机制的理解。

图1. 2024年5月超强磁暴期间MMS3卫星观测到富含能量O⁺离子的磁层顶磁重联离子扩散区。

来源：国家空间科学中心