科研動態｜空間中心科研人員在非穩態地球磁層頂廓線識別及邊界層粒子交換方面取得新進展

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太陽風與地球磁層的相互作用是空間天氣研究的核心問題，其過程直接影響粒子和能量在行星空間環境中的輸運與交換。“微笑”衛星（SMILE）任務將通過軟X射線成像首次獲取磁層頂及磁鞘的全球結構，為識別行星邊界形態及其響應機制提供新的觀測手段。理論研究團隊此前已在全球磁流體模型（PPMLR）的開發和應用方面積累了豐富經驗。近年來，團隊成員推進并完善了全球混合（Hybrid）模型的構建工作。開發該模型旨在為SMILE軟X射線成像開展預先研究，并為機器學習的訓練提供多模態物理參量輸入。該模型對于動理學行為顯著的空間天氣事件，具有廣泛諸的應用場景。例如，該模型可用于研究弓激波上游前兆（Foreshock）、熱流異常（Hot flow anomalies，HFA）、下游磁鞘高速流（High-speed jets，HSJ），非穩態磁層頂開爾文—亥姆霍茲（Kelvin–Helmholtz，KH）結構和磁場重聯（Magnetic reconnection）等跨尺度過程與太陽風條件之間的關系，并為研究太陽風—行星磁層相互作用中的能量與物質交換機制提供理論基礎。

此前，研究團隊基于該混合模型，已開展了火星KH調制下的行星粒子逃逸（Wang et al., 2023）和徑向IMF條件下的磁鞘高速流沖擊磁層頂事件（Yang et al., 2024; Guo et al., 2024）等模擬研究。與火星這類僅具有殼磁場的行星相比，在具有近似偶極子場的磁化行星（如地球）上，更容易形成完全卷繞并進入非線性階段的KH渦旋。不同太陽風動壓和IMF時鐘角條件下，KH結構和重聯如何調制行星邊界層處的太陽風粒子注入和行星粒子逃逸，尚未得到系統且定量的認知，相關研究仍存在顯著空白。

近日，中國科學院國家空間科學中心太陽活動與空間天氣重點實驗室王赤院士團隊的楊忠煒研究員、郭孝城研究員聯合中國科學院地質與地球物理研究所、芬蘭赫爾辛基大學芬蘭氣象研究所（FMI）等單位的合作者，基于全球混合模擬，從動理學視角出發跟蹤太陽風和行星粒子，首次定量分析了三維邊界層的不同扇區內太陽風和行星粒子的混淆度（Mixing rate），并實現了對開爾文—亥姆霍茲不穩定性和磁場重聯等結構調制下的任意非穩態磁層頂廓線的自動識別（圖1）。

研究發現，當IMF存在By分量時，研究人員模擬得到的“S”形KH區域與以往的磁流體模擬和衛星觀測（Farrugia et al., 1998；Foullon et al., 2008）符合較好；在北向IMF條件下，穿越日側磁層頂的粒子通量隨太陽風動壓增大而增加，并在KH區域達到峰值。與此同時，KH調制的低緯邊界層會隨動壓增大而逐漸變薄；在南向IMF條件下，磁重聯通過與KH結構的耦合，進一步增強了太陽風粒子的注入和日側磁層離子的逃逸。尤其在日下點中低維度區域，這種效應最為顯著（圖2）。這些結果有助于進一步理解日球層及更廣闊宇宙中磁化行星空間環境的演化以及物質輸運機制；建立的自動識別磁層頂等邊界層的混淆度方法，為SMILE軟X射線圖像識別AI訓練提供了多種太陽風條件下的磁層頂位置和形態的訓練集。

本論文近期發表在本領域國際學術期刊The Astrophysical Journal上，識別方法報導在RNAAS上。

圖1. 全球混合模擬中非穩態磁層頂的自動識別與進出粒子通量計算方法。（a）太陽風離子數密度nsw，（b）行星磁層離子數密度nms，（c）兩種離子在邊界層的混淆度mr，（d）磁層頂法向分量，（e）三角化磁層頂包絡面微元面積，及（f）微元上的物質交換。

圖2. 不同（上）太陽風動壓和（下）IMF時鐘角下，太陽風和行星粒子在邊界層的注入（藍）和逃逸（紅）。

文章鏈接：

Zhongwei Yang, Can Huang, Xiaocheng Guo（通訊作者）, Riku Jarvinen, Binbin Tang, Wence Jiang, Hui Li, & Chi Wang, Unveiling the Solar Wind Control of Solar Particle Injection and Planetary Mass Loss by Kelvin-Helmholtz Waves, The Astrophysical Journal, 2025a, 994:88, doi: 10.3847/1538-4357/ae161a.

Zhongwei Yang, Can Huang, Riku Jarvinen, Xiaocheng Guo, & Chi Wang, A Quantification Method for Plasma Exchange Across the Planetary Magnetopause Layer, RNAAS, 2025b, 9(177), doi: 10.3847/2515-5172/aded12.

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