摘要： 

       太阳风是行星磁层的主要能量来源，而磁层内部能量转移和耗散的一个主要媒介是等离子体波动。磁层等离子体波动如何响应太阳风扰动是磁层—太阳风耦合领域的重要科学问题。中国科学技术大学空间物理教工党支部党员苏振鹏教授课题组，利用三个太阳风和磁层卫星的联合观测以及等离子体不稳定性计算，展示了太阳风旋转间断面抑制磁层电磁离子回旋波的完整链条。

       太阳风是行星内部空间天气演化的主要能量来源，这些能量在行星磁层和大气间的分配与输运高度依赖各类等离子体波动所驱动的波粒相互作用。在地球磁层中，电磁离子回旋波能够沉降高能粒子至电离层，同时通过平行加热超热电子将能量传导至电离层。以往研究发现，磁层内部磁暴和亚暴期的热离子注入以及磁层外部太阳风的压缩是电磁离子回旋波激发的两大有利因素（图1）。实际上，驱动磁层磁暴和亚暴的扰动太阳风，包含丰富的间断面，不仅可能引发磁层压缩，也可能引发磁层膨胀。磁层外部太阳风间断面的减压效应与磁层内部离子注入效应如何竞争影响电磁离子回旋波的演化是一个尚未解决的科学问题。基于多卫星联合观测以及理论计算，中国科学技术大学空间物理教工党支部党员苏振鹏教授课题组，展示了磁层内外两种因素竞争影响电磁离子回旋波演化的完整链条。

图1.地球磁层电磁离子回旋波对于太阳风动压和地磁活动指数的依赖特征。Usanova et al., 2012

图2. WIND卫星在L1点观测到的太阳风旋转间断结构：（a,b）2014年2月21日至26日的太阳风动压和地磁指数演化；（c-f）太阳风动压脉冲时刻附近的太阳风磁场、速度、温度各向异性和密度演化；（g,h）太阳风旋转间断的磁场特征。

       行星际卫星WIND在L1点的观测（图2）表明2014年2月23日14:05 UT附近，太阳风中存在一个减压型的脉冲。对应的高分辨率数据显示，该脉冲由若干太阳风间断结构组成。这些间断有着较高的法向磁场分量，而另外两个方向的磁场分量表现出旋转的特性，可以判定为旋转间断。不同于温度各向同性的环境，温度各向异性的太阳风允许跨越旋转间断面的动压跳变。

图3. 2014年2月23日磁暴主相期间TH-D和RBSP-A卫星观测到的内磁层热离子和电磁离子回旋波：（a）地磁指数；（b-c）质子通量；（d-e）电磁离子回旋波谱强度。

        在旋转间断到达地球磁层之前，磁层卫星RBSP-A和TH-D观测到了磁暴注入的热离子以及相应激发的电磁离子回旋波。 随着旋转间断撞击磁层，RBSP-A卫星在向阳侧内磁层观测到了热离子通量的衰减和电磁离子回旋波的消失。这一观测显示，内磁层中即使存在热离子的注入，外部太阳风动压的下降依然能够抑制电磁离子回旋波不稳定性。详细的理论计算阐明了具体的物理机制：（1）对应于太阳风旋转间断相关的动压下降，磁层整体膨胀；（2）在相对缓慢变化的磁场中，注入的热离子经历了绝热减速过程；（3）由于热离子源的衰减，电磁离子回旋波最终消失。这一研究揭示了太阳风扰动对磁层等离子体波动生成过程的重要调控作用，拓展了对磁层等离子体波动时空分布的认识。太阳风间断面作为一种频繁发生的行星际扰动结构，其对于行星等离子体波动乃至行星空间天气演化的影响都值得更深入的研究。

        上述成果发表于空间物理领域权威学术期刊Geophysical Research Letter，论文的第一作者是中国科学技术大学博士后刘倪纲，通讯作者是中国科学技术大学苏振鹏教授。该成果获得了中科院战略性先导科技专项(XDB41000000)、国家自然科学基金(41774170和41631071) 和中科院前沿科学重点研究项目（QYZDB-SSW-DQC015）等支持。

论文信息：Liu, N., Su, Z., Gao, Z., Zheng, H., Wang, Y., & Wang, S. (2020). Can solar wind decompressive discontinuities suppress magnetospheric electromagnetic ion cyclotron waves associated with fresh proton injections? Geophysical Research Letters, 47, e2020GL090296. https://doi.org/10.1029/2020GL090296