太陽風(fēng)是來自太陽的帶電粒子流，持續(xù)不斷地壓縮地球磁場的磁力線而形成的空間稱為地球磁層。磁層頂為磁層的外邊界，向陽側(cè)呈一橢球面，背陽側(cè)是向外略張開的圓筒形，該圓筒所圍成的空腔稱磁尾。在日地連心線向陽的一側(cè)，磁層頂距地心約為10個地球半徑。太陽風(fēng)的物質(zhì)和能量是如何進(jìn)入地球磁層？如何驅(qū)動磁層中等離子體的對流運(yùn)動？磁層中的能量是如何輸運(yùn)、存儲和耗散的？這一系列問題一直是太陽風(fēng)-磁層耦合的前沿科學(xué)問題，對于我們了解磁層空間基本物理過程和空間天氣預(yù)報(bào)具有重要的科學(xué)和應(yīng)用價(jià)值。近日，中國科學(xué)院國家空間科學(xué)中心太陽活動與空間天氣重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室的戴磊研究員、王赤院士以及國際團(tuán)隊(duì)成員密切合作，首次提出和證實(shí)了日側(cè)磁重聯(lián)直接驅(qū)動磁層大尺寸對流的新模式。相關(guān)研究成果于2024年1月20日在《自然 通訊》在線發(fā)表。

　　等離子體物質(zhì)的全球尺度對流是行星（地球）磁層的基本特征。磁層大尺度對流循環(huán)的經(jīng)典模式（Dungey Cycle）自20世紀(jì)60年代提出以來，一直是太陽風(fēng)-磁層耦合的基本物理圖像，在地球空間能量爆發(fā)事件（如磁暴、亞暴）等空間天氣現(xiàn)象中發(fā)揮著關(guān)鍵作用。然而，這一教科書的經(jīng)典對流循環(huán)模型預(yù)言了等離子體對流周期一般在小時(shí)量級，在解釋10到20分鐘的快速響應(yīng)對流事件時(shí)遇到了困難。 在本研究中，研究團(tuán)隊(duì)深入分析了磁層對2016年3月11日太陽風(fēng)的響應(yīng)，揭示了日側(cè)磁重聯(lián)直接驅(qū)動雙胞對流模式的新圖像（圖1所示）。通過數(shù)值模擬（見圖2）和觀測數(shù)據(jù)分析（見圖3），研究人員發(fā)現(xiàn)日側(cè)磁重聯(lián)通過激發(fā)1區(qū)和2區(qū)場向電流直接驅(qū)動磁層內(nèi)的向日對流，對流增強(qiáng)在10-20分鐘內(nèi)從日側(cè)逐漸擴(kuò)展到夜側(cè)。值得注意的是，這一過程在行星際磁場從北轉(zhuǎn)南后幾乎是即時(shí)發(fā)生的，夜側(cè)磁重聯(lián)在這一時(shí)段并沒有影響對流模式，而在磁層經(jīng)典對流循環(huán)模型中，日側(cè)和夜側(cè)磁重聯(lián)兩個驅(qū)動必須一起聯(lián)合運(yùn)作。

　　本研究表明日側(cè)和夜側(cè)磁重聯(lián)可以相互獨(dú)立地驅(qū)動磁層大尺度對流，并提出了經(jīng)典對流循環(huán)模型外的新物理圖像，支持了現(xiàn)代的擴(kuò)展/收縮極蓋模型和直驅(qū)亞暴模型的預(yù)期。本研究強(qiáng)調(diào)了大尺度場向電流和等離子體對流在太陽風(fēng)-磁層耦合中的關(guān)鍵作用，所提出的新物理圖像可以在預(yù)期2025年發(fā)射的中歐聯(lián)合空間科學(xué)衛(wèi)星項(xiàng)目“微笑計(jì)劃”（SMILE）任務(wù)中得到進(jìn)一步檢驗(yàn)。

圖1：日側(cè)驅(qū)動的磁層對流的示意圖。

圖2：場向電流和磁層對流速度在東西向演變的數(shù)值模擬結(jié)果。

圖3：磁層和電離層觀測結(jié)果。SuperDARN觀測顯示，在行星際磁場轉(zhuǎn)南后，磁層的雙胞對流在10-20分鐘內(nèi)迅速增強(qiáng)，直接驅(qū)動亞磁暴。

　　這項(xiàng)研究得到了國家自然科學(xué)基金基礎(chǔ)科學(xué)中心項(xiàng)目（42188101）、面上項(xiàng)目42174207，中國科學(xué)院空間科學(xué)戰(zhàn)略先導(dǎo)專項(xiàng)二期（XDA15350201、XDA15052500）等項(xiàng)目的支持。

　　論文鏈接：https://doi.org/10.1038/s41467-024-44992-y

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