行星邊界動(dòng)力學(xué)是控制行星系統(tǒng)多圈層能量耦合效率的關(guān)鍵因素，當(dāng)受到外源或內(nèi)源擾動(dòng)時(shí)，在邊界層附近會(huì)產(chǎn)生一種周期性的本征頻率的震蕩模式，沿著磁力線向南北電離層傳播、反射和疊加，形成接近場(chǎng)向駐波的特征，被稱(chēng)為表面波。由于表面波具有全球尺度特征，并且能夠和全球模共振和場(chǎng)線共振發(fā)生能量耦合，因此能夠直接或間接地調(diào)控整個(gè)行星空間的粒子能量和電磁能量分布。
 

　　監(jiān)控這種邊界動(dòng)力學(xué)能夠診斷整個(gè)行星系統(tǒng)對(duì)太陽(yáng)風(fēng)的響應(yīng)程度。但是由于探測(cè)這種全球尺度的表面波需要多衛(wèi)星聯(lián)合共軛觀測(cè)，而且也容易受到其他頻率接近的超低頻波的疊加干擾，因此目前為止邊界層表面波的直接觀測(cè)證據(jù)仍然十分稀少。為此，研究者一直期望尋求能夠準(zhǔn)確反映邊界動(dòng)力學(xué)的系列電離層特征，其中絢麗多彩的極光就是一個(gè)非常合適的選擇。
 

　　在一系列由不同磁層源區(qū)、不同加速機(jī)制、不同電離層背景所共同決定的且隨時(shí)間、空間、尺度快速演化的紛繁復(fù)雜的極光中，要準(zhǔn)確識(shí)別邊界表面波的效應(yīng)極其困難，以至于磁層頂表面波的電離層極光特征時(shí)至今日仍未確定，而位于等離子體層頂附近的等離子體層頂表面波直到近年來(lái)才被確定為一種鋸齒極光。雖然等離子體層頂表面波——鋸齒極光被觀測(cè)到具有同樣的周期和環(huán)向傳播速度，但是表面波是如何將這種特殊震蕩信號(hào)傳播到電離層極光這一核心中間過(guò)程并不清晰。
 

　　為了解決這個(gè)問(wèn)題，首先要精確探究直接形成鋸齒極光的粒子沉降模式。中國(guó)科學(xué)院地質(zhì)與地球物理研究所地球與行星物理院重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室博士生周一甲與導(dǎo)師何飛研究員等，對(duì)一次中等地磁暴期間鋸齒極光的電離層特征進(jìn)行了綜合分析。之所以能分析，是因?yàn)樗念wDMSP衛(wèi)星和一顆NOAA衛(wèi)星在30分鐘的時(shí)間內(nèi)依次穿過(guò)了不同鋸齒結(jié)構(gòu)的上方(圖1)。通過(guò)對(duì)低能和高能沉降粒子、磁場(chǎng)擾動(dòng)、伴隨的亞極光極化流、場(chǎng)向電流等特征的研究，研究人員確定了鋸齒極光上方存在的特殊的粒子沉降特征(圖2)，主要研究結(jié)論如下:
 

　　(1)鋸齒極光是由兩區(qū)域粒子沉降模式所點(diǎn)亮，其主體核心區(qū)域主要是由高能粒子沉降所驅(qū)動(dòng)，其邊緣是由低能電子(<1 keV)所驅(qū)動(dòng)；
 

　　(2)除了<30?keV的粒子沉降，鋸齒極光的發(fā)生也伴隨著高達(dá)幾百keV的高能質(zhì)子和電子沉降，這表明表面波可以促進(jìn)高能粒子沉降向更低緯度區(qū)域沉降；
 

　　(3)首次提供了鋸齒極光尺度隨亞極光極化流強(qiáng)度的正相關(guān)演化證據(jù)；
 

　　(4)鋸齒極光上方磁場(chǎng)三分量被同時(shí)劇烈擾動(dòng)，符合前人證明的成熟表面波是由極化波、擠壓波和共轉(zhuǎn)波耦合而成的一種復(fù)合波。
 

圖1 2015年9月7號(hào)多顆極軌衛(wèi)星短時(shí)間內(nèi)依次穿越鋸齒極光示意圖
 

　　圖2??DMSP和NOAA衛(wèi)星穿過(guò)鋸齒極光觀測(cè)到的電離層參量特征圖。(a)質(zhì)子極光圖像；(b)LBH波段極光圖像；(c)電子沉降能譜；(d)離子沉降能譜；(e)電離層背景等離子體密度；(f)電子和離子溫度；(g)離子漂移速度；(h)磁場(chǎng)擾動(dòng)；(i)場(chǎng)向電流；(j-m)高能電子和質(zhì)子通量
 

　　綜上，該研究首次呈現(xiàn)了等離子體層頂表面波發(fā)生期間的粒子沉降特征，預(yù)示發(fā)生表面波是局地存在復(fù)雜的波粒相互作用，這對(duì)于進(jìn)一步理解內(nèi)磁層邊界動(dòng)力學(xué)具有重要意義。
 

　　研究成果發(fā)表于國(guó)際學(xué)術(shù)期刊GRL (周一甲，何飛*，Xiao-Xin Zhang，Yong-Liang Zhang，劉立波，堯中華，戎昭金，魏勇. Special particle precipitation signatures over giant auroral undulations during the 7 September 2015 geomagnetic storm[J]. Geophysical Research Letters, 2024, 51(14): e2024GL109849. DOI: 10.1029/2024GL109849.)。本研究得到國(guó)家自然科學(xué)基金項(xiàng)目(42222408, 41931073)、中國(guó)科技部重點(diǎn)研發(fā)計(jì)劃(2021YFA0718600)和中科院青促會(huì)(No. Y2021027)的聯(lián)合資助。