科研動態(tài)｜空間中心科研人員在非穩(wěn)態(tài)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(fēng)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(huán)境中的輸運與交換。“微笑”衛(wèi)星（SMILE）任務(wù)將通過軟X射線成像首次獲取磁層頂及磁鞘的全球結(jié)構(gòu)，為識別行星邊界形態(tài)及其響應(yīng)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(fā)和應(yīng)用方面積累了豐富經(jīng)驗。近年來，團隊成員推進并完善了全球混合（Hybrid）模型的構(gòu)建工作。開發(fā)該模型旨在為SMILE軟X射線成像開展預(yù)先研究，并為機器學(xué)習(xí)的訓(xùn)練提供多模態(tài)物理參量輸入。該模型對于動理學(xué)行為顯著的空間天氣事件，具有廣泛諸的應(yīng)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(wěn)態(tài)磁層頂開爾文—亥姆霍茲（Kelvin–Helmholtz，KH）結(jié)構(gòu)和磁場重聯(lián)（Magnetic reconnection）等跨尺度過程與太陽風(fēng)條件之間的關(guān)系，并為研究太陽風(fēng)—行星磁層相互作用中的能量與物質(zhì)交換機制提供理論基礎(chǔ)。

此前，研究團隊基于該混合模型，已開展了火星KH調(diào)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(fēng)動壓和IMF時鐘角條件下，KH結(jié)構(gòu)和重聯(lián)如何調(diào)制行星邊界層處的太陽風(fēng)粒子注入和行星粒子逃逸，尚未得到系統(tǒng)且定量的認(rèn)知，相關(guān)研究仍存在顯著空白。

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實驗室王赤院士團隊的楊忠煒研究員、郭孝城研究員聯(lián)合中國科學(xué)院地質(zhì)與地球物理研究所、芬蘭赫爾辛基大學(xué)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(xué)視角出發(fā)跟蹤太陽風(fēng)和行星粒子，首次定量分析了三維邊界層的不同扇區(qū)內(nèi)太陽風(fēng)和行星粒子的混淆度（Mixing rate），并實現(xiàn)了對開爾文—亥姆霍茲不穩(wěn)定性和磁場重聯(lián)等結(jié)構(gòu)調(diào)制下的任意非穩(wěn)態(tài)磁層頂廓線的自動識別（圖1）。

研究發(fā)現(xiàn)，當(dāng)IMF存在By分量時，研究人員模擬得到的“S”形KH區(qū)域與以往的磁流體模擬和衛(wèi)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(cè)磁層頂?shù)牧Ｗ油侩S太陽風(fēng)動壓增大而增加，并在KH區(qū)域達到峰值。與此同時，KH調(diào)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(lián)通過與KH結(jié)構(gòu)的耦合，進一步增強了太陽風(fēng)粒子的注入和日側(cè)磁層離子的逃逸。尤其在日下點中低維度區(qū)域，這種效應(yīng)最為顯著（圖2）。這些結(jié)果有助于進一步理解日球?qū)蛹案鼜V闊宇宙中磁化行星空間環(huán)境的演化以及物質(zhì)輸運機制；建立的自動識別磁層頂?shù)冗吔鐚拥幕煜确椒ǎ瑸镾MILE軟X射線圖像識別AI訓(xùn)練提供了多種太陽風(fēng)條件下的磁層頂位置和形態(tài)的訓(xùn)練集。

本論文近期發(fā)表在本領(lǐng)域國際學(xué)術(shù)期刊The Astrophysical Journal上，識別方法報導(dǎo)在RNAAS上。

圖1. 全球混合模擬中非穩(wěn)態(tài)磁層頂?shù)淖詣幼R別與進出粒子通量計算方法。（a）太陽風(fēng)離子數(shù)密度nsw，（b）行星磁層離子數(shù)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(luò)面微元面積，及（f）微元上的物質(zhì)交換。

圖2. 不同（上）太陽風(fēng)動壓和（下）IMF時鐘角下，太陽風(fēng)和行星粒子在邊界層的注入（藍(lán)）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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