研究揭示水星磁層亞暴過程中粒子特徵

探索不同行星磁層中的等離子體動力學過程的異同，是比較行星學研究的主要目標之一，它不僅可以幫助我們梳理行星磁層的變化規律，更對系外行星空間環境的探索提供指導性信息。粒子在磁層亞暴過程中的熱力學特性一直是空間物理學研究中的重點和熱點問題。地球磁層內大量衛星數據對地球亞暴過程中粒子的變化特徵已進行了廣泛研究，然而作為太陽系類地行星中另外一顆具有全球性內稟磁場的行星——水星，其磁層亞暴過程中粒子的特徵仍缺乏系統研究。

空間物理學研究領域在過去的幾十年里對水星磁層動力學過程的研究熱度很高，其原因主要在於水星磁層構造與地球磁層非常相似，儘管水星磁層在體積上要遠小於地球磁層，但其中仍發生大量的相似物理學過程。如果考慮到水星缺少電離層這一獨特性，那麼對水星磁層動力學過程的研究就可以用來檢驗和深入理解地球磁層物理當中的一些概念和理論。

水星信使號（MESSENGER）探測器於2009年至2015年在軌水星，其16個水星年的在軌數據為研究提供了必要條件。中國科學院地質與地球物理研究所地球與行星物理院重點實驗室博士後孫為傑等，使用信使號測量得到的質子數據（能量範圍在~0至13個千電子伏,keV），首先對水星磁層亞暴兩個偶極化前後的質子分布進行了擬合（如圖1）。以第一個偶極化過程為例，偶極化之前，高能部分質子熱力學溫度為7.8±0.8兆開爾文(MK) ，κ為28.17±3.04；偶極化發生之後，質子熱力學溫度為18.1±2.0兆開爾文(MK)，κ為2.65±0.3。結果表明，水星亞暴偶極化過程可以有效的加熱（熱力學溫度升高）和加速（κ降低）質子。第二個亞暴偶極化的結果進一步證實了這一結論。

基於該例的研究，研究人員對信使號1225個符合要求的軌道進行了統計分析。統計結果首先證實了水星磁層活躍期對應著顯著的質子溫度的升高和超熱質子的產生；其次，發現質子的溫度和超熱質子通量在水星磁尾的分布表現出了顯著的晨昏不對稱特徵，即在晨側的數值顯著高於昏側。與信使號磁場數據比較後進一步指出，水星磁尾的偶極化過程表現為在磁尾晨側的發生率遠高於昏側，考慮該研究的個例研究結論，偶極化的這一分布為質子溫度和高能質子分布的晨昏不對稱原因提供了解釋。對該研究主要結論的總結（如圖2）。

此外，與地球磁層相似物理過程的比較發現，相較於地球磁層亞暴偶極化過程，水星磁尾偶極化過程對質子的加熱和加速更有效，這一特徵揭示水星偶極化過程及發生在此過程中的波粒相互作用更劇烈。同時，地球磁尾磁重聯以及近磁尾偶極化過程較多的發生在昏側區域，與水星磁尾的較多的發生在晨側這一特徵顯著不同。

相關研究成果發表在Geophysical Research Letters上。

圖1.水星兩次偶極化之前(a,e)和之後(c,g)的質子相空間密度和counts(b,d,f,h)分布。圖中黑點為儀器counts數大於1的測量點，紅點為儀器counts數等於1的測量點。藍線為高能部分Kappa分布的擬合，綠線為低能部分高斯擬合，黑線為兩者之和。

圖2.水星磁尾動力學過程示意圖。水星近磁尾偶極化過程多在晨側發生，造成質子溫度和超熱質子通量在晨側較高（近水星紅色區域）。同時，水星的近磁尾重聯（紅色X線）及X-射線極光（水星上的綠色弧）也更多的在晨側被觀測到。

來源：中國科學院地質與地球物理研究所

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