太阳风密度魔法

编者按：中科院比较行星学卓越创新中心和类地行星先导专项骨干成员雷久侯教授团队与香港大学张彬铮教授合作，利用三维全球太阳风-磁层-电离层耦合模式，研究了北向行星际磁场条件下，太阳风密度对极区空间天气的非线性控制作用，并且解释了这种非线性控制的物理机制。这项研究有助于更好地理解太阳风对磁层-电离层耦合系统的作用，改进空间天气的预报，且对于进一步研究其他行星（例如金星、火星等）的空间环境具有重要的借鉴意义。

太阳风裹挟着从太阳中释放出的高能带电粒子吹向地球。而地球磁层这个天然的“保护伞”，可以把太阳风中的大部分带电粒子挡在地球以外，使地球与外太空隔离开来。

但在地球的高纬地区，由于太阳风与地球磁场相互作用，极区的磁力线像筷子一样“搅拌”着地球上空的带电粒子。这些带电粒子在洛伦兹力的作用下发生对流运动，形成了多个涡旋状的高纬电场结构。

与此同时，极区出现了正负电势中心，而电势的极大和极小值之间的差值被称为“跨极盖电势”，这是空间天气状态的重要指标之一。

跨极盖电势对行星际条件（如行星际磁场、太阳风速度和密度等）非常敏感。大多数研究主要关注南向行星际磁场与地球磁场的磁重联过程对跨极盖势的影响，而太阳风密度的变化对电离层电势的影响却很少被仔细研究。

近期，中国科学技术大学雷久侯教授团队与香港大学张彬铮教授合作，利用太阳风-磁层-电离层耦合模式，对北向行星际磁场条件下，太阳风密度对极区电势的影响进行了细致研究。

在北向行星际磁场条件下，太阳风密度主要通过两个过程影响跨极盖电势：其一是，位于磁层顶处的磁重联过程；另一个过程是，位于磁层低纬边界处的粘滞扰动（主要是等离子体速度剪切形成的K-H不稳定性）。

我们研究发现，跨极盖电势的大小是这两个过程的相互“竞争”决定的。

当行星际磁场很弱时，磁重联不能有效发生，极区的电势主要由磁层低纬处的粘滞扰动控制。在这种情况下，太阳风密度的增加可以显著增强这部分区域磁层扰动的强度，从而使跨极盖电势几乎随太阳风密度线性增长。

而当行星际磁场较强时，跨极盖电势主要受磁层顶处磁重联过程的控制。

行星际磁场需要穿过磁鞘区与地球磁场发生重联，因此穿过磁鞘的磁通量多少决定了磁重联的强度。磁鞘中存在两种作用力相互“竞争”：洛伦兹力（与磁鞘的磁场强度正相关）与压力梯度力（与磁鞘的粒子密度正相关）。太阳风密度可以通过调节磁鞘中的主导作用力，来影响穿过磁鞘的磁通量，从而影响重联强度。

当太阳风密度较小时，磁鞘中的洛伦兹力较强，增大太阳风密度可以显著增加进入磁鞘的磁通量，从而增强跨极盖电势；

而当太阳风密度较大时，压力梯度力主导了磁鞘状态，可以进入磁鞘的磁通量接近饱和，太阳风密度继续增强无法使更多的磁通量进入磁鞘。因此，当压力梯度力主导磁鞘时，增长密度对跨极盖电势的影响很小。

总结来说，在不同强度的北向行星际磁场条件下，太阳风密度对跨极盖电势的影响显着不同。当行星际磁场较弱时，太阳风密度主要通过影响磁层低纬边界的粘滞扰动影响跨极盖电势。而在行星际磁场较强时，太阳风密度对跨极盖电势的影响主要取决于磁鞘中洛伦兹力和压力梯度力的相对大小。

（摘自：NASA/Goddard/Aaron Kaase; Saunders and Russell [1986]; Brain et al. [2017]）

许多类地行星如金星、火星等也存在着电离层-磁层耦合系统，但这些行星的磁场结构比地球更为复杂。例如，地球的磁场为偶极场；金星的磁层来源于电离层与太阳风相互作用时产生的感应磁场；火星存在由星体内部结构而产生的固有磁场。通过对地球偶极磁场下太阳风-电离层-磁层耦合过程的研究，将有助于认识不同行星磁场在太阳风作用下的演化情况。

该成果发表于国际学术期刊Geophysical Research Letters，论文第一作者是中国科学技术大学硕士生杨子仪，通讯作者为雷久侯教授。该研究得到了中科院B类先导专项（XDB41000000）、国家自然科学基金项目（41831070和41974181）等项目支持。

Yang, Z., Zhang, B., Lei, J., & Dang, T. (2020). Nonlinear response of the cross polar cap potential to solar wind density under northward interplanetary magnetic field. Geophysical Research Letters, 47, e2020GL087559. https://doi.org/10.1029/2020GL087559。