科研動(dòng)態(tài)丨空間中心科研人員在磁層對(duì)流及其地磁響應(yīng)研究方面取得新進(jìn)展

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近日，中國(guó)科學(xué)院國(guó)家空間科學(xué)中心（以下簡(jiǎn)稱(chēng)“空間中心”）太陽(yáng)活動(dòng)與空間天氣全國(guó)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室在磁層對(duì)流及其對(duì)應(yīng)地磁指數(shù)響應(yīng)機(jī)制方面取得重要研究進(jìn)展。該成果由王赤院士團(tuán)隊(duì)博士研究生王旭、戴磊研究員等人完成，基于范艾倫輻射帶探測(cè)器（Van Allen Probes）對(duì)磁層對(duì)流電場(chǎng)的直接觀測(cè)，首次從統(tǒng)計(jì)上證實(shí)了在高速太陽(yáng)風(fēng)條件下，磁層對(duì)流電場(chǎng)對(duì)地磁活動(dòng)指數(shù)（Kp、AU、Dst）的決定性作用。相關(guān)成果已發(fā)表在國(guó)際期刊 Space Weather 上。

磁層對(duì)流是太陽(yáng)風(fēng)能量向地球空間傳輸?shù)年P(guān)鍵通道，其強(qiáng)度與結(jié)構(gòu)直接決定著空間電流體系的演化，進(jìn)而影響地磁指數(shù)的變化。前人研究已提出磁層對(duì)流影響地磁擾動(dòng)的可能機(jī)制，但對(duì)其定量關(guān)系、關(guān)鍵閾值及非線性響應(yīng)特征尚缺乏系統(tǒng)刻畫(huà)。

該項(xiàng)研究主要取得以下發(fā)現(xiàn)：

• 對(duì)流電場(chǎng)增強(qiáng)與穿透： 在 L=3–5.5 范圍內(nèi)，磁層對(duì)流電場(chǎng)（Ey,RMS）強(qiáng)度隨太陽(yáng)風(fēng)速和南向行星際磁場(chǎng)（IMF Bz）的增強(qiáng)而增加；同時(shí)，電場(chǎng)的穿透深度也隨之加深。當(dāng)太陽(yáng)風(fēng)速超過(guò) 550 km/s 時(shí)，對(duì)流電場(chǎng)可深入至 L≈3 區(qū)域。

• 地磁指數(shù)的非線性響應(yīng)特征： 統(tǒng)計(jì)結(jié)果顯示，當(dāng) Ey,RMS < 1.0 mV/m 時(shí)，Kp、AU、Dst 等地磁指數(shù)與對(duì)流電場(chǎng)強(qiáng)度呈近似線性關(guān)系；而超過(guò)此閾值后，指數(shù)響應(yīng)趨于飽和，表現(xiàn)出明顯的非線性增長(zhǎng)特征。這一發(fā)現(xiàn)提示磁層對(duì)流對(duì)地磁擾動(dòng)的驅(qū)動(dòng)能力具有一定極限。

• 地磁指數(shù)間的定量關(guān)系： 研究進(jìn)一步揭示，AU 指數(shù)與 Kp 指數(shù)近似線性相關(guān)，而 Kp 與 Dst 指數(shù)呈對(duì)數(shù)關(guān)系，反映出不同地磁擾動(dòng)指標(biāo)對(duì)磁層動(dòng)力學(xué)響應(yīng)的差異性。
  

研究明確提出了Ey,RMS≈1.0 mV/m作為地磁響應(yīng)非線性增強(qiáng)的臨界閾值，并系統(tǒng)建立了太陽(yáng)風(fēng)高速流背景下磁層對(duì)流電場(chǎng)深入內(nèi)磁層的判據(jù)條件（Vsw>550 km/s）。這些成果不僅加深了對(duì)磁層對(duì)流與地磁擾動(dòng)之間耦合機(jī)制的理解，也為提升空間天氣預(yù)報(bào)模型的物理基礎(chǔ)與預(yù)測(cè)能力提供了關(guān)鍵觀測(cè)依據(jù)。

該項(xiàng)研究工作得到了國(guó)家自然科學(xué)基金、國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室專(zhuān)項(xiàng)研究基金、中國(guó)科學(xué)院戰(zhàn)略性先導(dǎo)科技專(zhuān)項(xiàng)（二期）的大力支持。

論文鏈接：

https://doi.org/10.1029/2025SW004548

Citation:

Wang,X.,Dai,L.,Wang,T.,Ren,Y.,Zhu,M.,Yang,X.,et al. (2025). Inner magnetospheric convection electric fields and corresponding geomagnetic indices during high‐speed solar wind streams. Space Weather,23,e2025SW004548. https://doi.org/10.1029/2025SW004548

圖一 高速流期間地磁指數(shù)（AU，Kp，Dst）與對(duì)流電場(chǎng)Ey,RMS之間的關(guān)系。(a1)-(c1)展示 L=3.0-4.0處AU，Kp，Dst與Ey,RMS之間的關(guān)系；(a2)-(c2)展示 L=4.5-5.5處AU，Kp，Dst與Ey,RMS之間的關(guān)系。色標(biāo)表示每個(gè)分箱內(nèi)數(shù)據(jù)點(diǎn)數(shù)。

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