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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)。
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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。
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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。
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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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