佳文赏析 | 北京大学宗秋刚教授团队发现水星存在磁暴与环电流

北京大学地球与空间科学学院的宗秋刚教授团队关于水星存在磁暴与环电流的文章，日前分别被国际学术期刊《自然.通讯》 (Nature Communications) 和《中国科学：技术科学》英文刊（Sci China Tech Sci）正式发表。

磁暴是最具危害性的空间天气事件，一直以来磁暴这一现象是否仅发生在地球磁层是空间科学领域最受关注的问题之一。近期，北京大学宗秋刚教授团队的观测研究显示，水星磁层中也会存在类似地球磁层中的环电流，并引发水星磁暴，终结了长达近半个世纪的谜题。这是第一次在地球之外的行星发现存在磁暴现象，对于理解太阳系行星演化有重要的启示。

磁暴是太阳风与磁层相互作用所引发的磁场扰动，它是众多空间天气事件中最具危害性的一种。一场大规模的磁暴（如1859年的卡灵顿事件）会对人类现代科技文明，包括航天器、供电线路、输油管道以及通讯系统，造成数以万亿计的损失。最近，今年2月初（2月3-5日）， 一次地球磁暴过程使得SpaceX 发射的49颗卫星中的40颗卫星毁坏。Chapman和Ferraro最早对这一现象做出物理上的解释：引发磁暴的是空间中的环电流，它由环绕地球运动的高能带电粒子所驱动。目前，部分行星（土星、木星）磁层中的数千到数十万电子伏特的捕获离子所组成的环电流的存在已经在观测中得到了证实。因此，与之相关的磁暴现象能否发生在太阳系、乃至整个宇宙中其他行星的磁层中成为目前极具研究价值的课题。

那么，水星磁层是否存在环电流和磁暴呢？水星作为太阳系中距离太阳最近也是最小的一颗行星，拥有和地球类似的内禀磁场，可以抵御太阳风的冲击并形成磁层。然而，由于水星的磁场强度只有不到地球磁场的百分之一，它所支撑的磁层在空间尺度上要比地球磁层小数十倍。此外，水星的大气层在太阳的炙烤之下也近乎逃逸殆尽，无法提供显著的电离层。悬殊的尺度差异以及电离层的缺失使得水星在比较行星研究中具有独特的地位。

图1 水星磁层示意图

尽管水星磁层中存在着诸多与地球磁层极为相似的动力学过程，如磁层亚暴、磁尾粒子向内磁层的注入等。此前，学界普遍认为水星磁层过小，无法容纳被稳定捕获的能量粒子，因此倾向于认为水星不存在环电流和磁暴。近期，北京大学地球与空间科学学院宗秋刚教授团队，综合分析了美国国家航空航天局信使号（MESSENGER）飞船为期五年的观测数据。得益于信使号飞船优越的仪器设备、轨道设计和调整规划，水星磁层中的能量粒子具有高时空覆盖率，有利于研究水星能量粒子的全空间分布特征。统计结果清晰地呈现出环电流这一结构。观测显示，水星的环电流在向阳面呈分叉状（即环电流在向阳面出现在中高纬区域而非赤道处，如图1所示），与地球的赤道环电流在形态上有很大差异。这一奇特的形态与试验粒子模拟结果高度吻合。这主要是由于在强太阳风压缩水星磁层的条件下，质子经历Shabansky轨道导致的（如图1所示）。这些观测结果为水星磁层中环电流的存在提供了确凿证据，终结了持续半个多世纪的谜题。

目前观测到的水星环电流质子总能量的动态范围为焦耳到焦耳，巨大的变化幅度足以支持磁暴活动的发生。根据推算，环电流所导致的地磁场下降在0.2 nT 到 3.5 nT之间，同比例相当于地球上Dst(Disturbance storm time, Dst)为约30 nT 到500 nT的大磁暴。此外，信使号在临近任务结束、撞击水星之前，为水星磁暴的存在提供了关键性的磁场观测证据。这一阶段的卫星轨道距离水星表面足够近，为探测地球以外的磁暴现象提供了绝佳的机会。在一次日冕物质抛射事件经过水星期间，利用一套成熟的天基地磁扰动指数算法分析了水星磁场在此期间的演化过程。这一演化过程与地球上的磁暴高度相似，包含了磁场突然下降的主相以及磁场缓慢增长回归到正常水平的恢复相。主相期间的磁场下降峰值超过60 nT，接近水星内禀磁场的三分之一。这一观测说明，尽管水星磁层与地球磁层之间存在着极大的差异，与地球上相似、甚至更为剧烈的磁暴现象依然可以在水星上发生。 

北京大学地球与空间科学学院空间物理与应用技术研究所博士生赵玖桐为文章Zhao et al. (2022)的第一作者，北京大学宗秋刚教授与乐超研究员为文章的共同通讯作者。北京大学宗秋刚教授与中国极地研究所刘建军研究员为文章Zong et al. (2022)的第一作者和通讯作者。北京大学傅绥燕教授与宗秋刚教授为上述文章写了论评。这项工作得到了国家重点研发计划“变革性技术关键科学问题”重点专项、民用航天技术预先研究项目、国家自然科学基金委的经费支持。

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• J.-T. Zhao, Q.-G. Zong, C. Yue, W.-J. Sun, H. Zhang, X.-Z. Zhou, G. Le, R. Rankin and Y. Wei. Observational evidence of ring currentin the magnetosphere of Mercury, Nature Communications,10.1038/s41467-022-28521-3, 2022

• Zong Q G, Zhao J T, Liu J J, et al. Magnetic storms in Mercury's magnetosphere. Sci China Tech Sci, 2022, 65. https://doi.org/10.1007/s11431-022- 2009-8

• Fu S Y & Zong Q G. Mercury's ring current and Mercury's magnetic storms. Sci China Tech Sci, 2022, 65. https://doi.org/10.1007/s11431-022-2010-4

转载自中国科学杂志社

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原文标题：北京大学宗秋刚教授团队发现水星存在磁暴与环电流

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图文编辑：初明若

审编：黄莘绒

终审：  颜子明  黄宗财  鲁嘉颐

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