空间中心科研人员在非稳态地球磁层顶廓线识别及边界层粒子交换方面取得新进展

太阳风与地球磁层的相互作用是空间天气研究的核心问题，其过程直接影响粒子和能量在行星空间环境中的输运与交换。“微笑”卫星（SMILE）任务将通过软X射线成像首次获取磁层顶及磁鞘的全球结构，为识别行星边界形态及其响应机制提供新的观测手段。理论研究团队此前已在全球磁流体模型（PPMLR）的开发和应用方面积累了丰富经验。近年来，团队成员推进并完善了全球混合（Hybrid）模型的构建工作。开发该模型旨在为SMILE软X射线成像开展预先研究，并为机器学习的训练提供多模态物理参量输入。该模型对于动理学行为显著的空间天气事件，具有广泛诸的应用场景。例如，该模型可用于研究弓激波上游前兆（Foreshock）、热流异常（Hot flow anomalies，HFA）、下游磁鞘高速流（High-speed jets，HSJ），非稳态磁层顶开尔文—亥姆霍兹（Kelvin–Helmholtz，KH）结构和磁场重联（Magnetic reconnection）等跨尺度过程与太阳风条件之间的关系，并为研究太阳风—行星磁层相互作用中的能量与物质交换机制提供理论基础。

此前，研究团队基于该混合模型，已开展了火星KH调制下的行星粒子逃逸（Wang et al., 2023）和径向IMF条件下的磁鞘高速流冲击磁层顶事件（Yang et al., 2024; Guo et al., 2024）等模拟研究。与火星这类仅具有壳磁场的行星相比，在具有近似偶极子场的磁化行星（如地球）上，更容易形成完全卷绕并进入非线性阶段的KH涡旋。不同太阳风动压和IMF时钟角条件下，KH结构和重联如何调制行星边界层处的太阳风粒子注入和行星粒子逃逸，尚未得到系统且定量的认知，相关研究仍存在显著空白。

近日，中国科学院国家空间科学中心太阳活动与空间天气重点实验室王赤院士团队的杨忠炜研究员、郭孝城研究员联合中国科学院地质与地球物理研究所、芬兰赫尔辛基大学芬兰气象研究所（FMI）等单位的合作者，基于全球混合模拟，从动理学视角出发跟踪太阳风和行星粒子，首次定量分析了三维边界层的不同扇区内太阳风和行星粒子的混淆度（Mixing rate），并实现了对开尔文—亥姆霍兹不稳定性和磁场重联等结构调制下的任意非稳态磁层顶廓线的自动识别（图1）。

研究发现，当IMF存在By分量时，研究人员模拟得到的“S”形KH区域与以往的磁流体模拟和卫星观测（Farrugia et al., 1998；Foullon et al., 2008）符合较好；在北向IMF条件下，穿越日侧磁层顶的粒子通量随太阳风动压增大而增加，并在KH区域达到峰值。与此同时，KH调制的低纬边界层会随动压增大而逐渐变薄；在南向IMF条件下，磁重联通过与KH结构的耦合，进一步增强了太阳风粒子的注入和日侧磁层离子的逃逸。尤其在日下点中低维度区域，这种效应最为显著（图2）。这些结果有助于进一步理解日球层及更广阔宇宙中磁化行星空间环境的演化以及物质输运机制；建立的自动识别磁层顶等边界层的混淆度方法，为SMILE软X射线图像识别AI训练提供了多种太阳风条件下的磁层顶位置和形态的训练集。

本论文近期发表在本领域国际学术期刊The Astrophysical Journal上，识别方法报导在RNAAS上。

文章链接：Zhongwei Yang, Can Huang, Xiaocheng Guo（通讯作者）, 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.

 图1. 全球混合模拟中非稳态磁层顶的自动识别与进出粒子通量计算方法。（a）太阳风离子数密度nsw，（b）行星磁层离子数密度nms，（c）两种离子在边界层的混淆度mr，（d）磁层顶法向分量，（e）三角化磁层顶包络面微元面积，及（f）微元上的物质交换。

图2. 不同（上）太阳风动压和（下）IMF时钟角下，太阳风和行星粒子在边界层的注入（蓝）和逃逸（红）。

（供稿：天气室）