北大研究團隊研究水星時有重大發現，北京大學地球與空間科學學院的宗秋剛教授團隊關於水星存在磁暴與環電流的文章，日前正式發表。北大研究團隊研究水星時有重大發現。
北大研究團隊研究水星時有重大發現1
北京大學地球與空間科學學院宗秋剛教授研究團隊發現水星存在磁暴與環電流，破解了近半個世紀的謎題。相關研究成果於17日分別發表在國際學術期刊《自然·通訊》（Nature Communications）和《中國科學：技術科學》（Sci China Tech Sci）上。
磁暴是太陽風與磁層相互作用所引發的磁場擾動，是衆多空間天氣事件中最具危害性的一種。目前，土星、木星磁層中的數千到數十萬電子伏特的捕獲離子所組成的環電流的存在已在觀測中得到證實。因此，與之相關的磁暴現象能否發生在太陽系乃至整個宇宙中其他行星的磁層，成爲目前極具研究價值的課題之一。
在太陽系中，水星是距離太陽最近也是最小的行星，擁有和地球類似的內稟磁場，可抵禦太陽風衝擊並形成磁層。然而，由於水星的磁場強度不到地球磁場的百分之一，它所支撐的磁層在空間尺度上要比地球磁層小數十倍。此外，水星的大氣層近乎逃逸殆盡，無法提供顯著電離層。此前，學界普遍認爲，水星磁層過小，無法容納被穩定捕獲的能量粒子，因此傾向於認爲水星不存在環電流和磁暴。
宗秋剛團隊綜合分析了美國國家航空航天局信使號（MESSENGER）水星探測器爲期5年的觀測數據。觀測顯示，水星的環電流在向陽面呈分叉狀，與地球的赤道環電流在形態上有很大差異，這一形態與試驗粒子模擬結果高度吻合。這主要是在強太陽風壓縮水星磁層的條件下，質子經歷Shabansky軌道導致的。這些觀測結果爲水星磁層中存在環電流提供了確鑿證據。研究顯示，水星磁層中存在類似地球磁層中的環電流，並引發水星磁暴。研究結果對理解太陽系行星演化有重要啓示。
北大研究團隊研究水星時有重大發現2
北京大學地球與空間科學學院的宗秋剛教授團隊關於水星存在磁暴與環電流的文章，日前分別被國際學術期刊《自然.通訊》 (Nature Communications) 和《中國科學：技術科學》英文刊（Sci China Tech Sci）正式發表。
磁暴是最具危害性的空間天氣事件，一直以來磁暴這一現象是否僅發生在地球磁層是空間科學領域最受關注的問題之一。近期，北京大學宗秋剛教授團隊的觀測研究顯示，水星磁層中也會存在類似地球磁層中的環電流，並引發水星磁暴，終結了長達近半個世紀的謎題。這是第一次在地球之外的行星發現存在磁暴現象，對於理解太陽系行星演化有重要的啓示。
磁暴是太陽風與磁層相互作用所引發的磁場擾動，它是衆多空間天氣事件中最具危害性的一種。一場大規模的磁暴（如1859年的卡靈頓事件）會對人類現代科技文明，包括航天器、供電線路、輸油管道以及通訊系統，造成數以萬億計的損失。最近，今年2月初（2月3-5日）， 一次地球磁暴過程使得SpaceX 發射的49顆衛星中的40顆衛星毀壞。Chapman和Ferraro最早對這一現象做出物理上的解釋：引發磁暴的是空間中的環電流，它由環繞地球運動的高能帶電粒子所驅動。目前，部分行星（土星、木星）磁層中的數千到數十萬電子伏特的捕獲離子所組成的環電流的.存在已經在觀測中得到了證實。因此，與之相關的磁暴現象能否發生在太陽系、乃至整個宇宙中其他行星的磁層中成爲目前極具研究價值的課題。
那麼，水星磁層是否存在環電流和磁暴呢？水星作爲太陽系中距離太陽最近也是最小的一顆行星，擁有和地球類似的內稟磁場，可以抵禦太陽風的衝擊並形成磁層。然而，由於水星的磁場強度只有不到地球磁場的百分之一，它所支撐的磁層在空間尺度上要比地球磁層小數十倍。此外，水星的大氣層在太陽的炙烤之下也近乎逃逸殆盡，無法提供顯著的電離層。懸殊的尺度差異以及電離層的缺失使得水星在比較行星研究中具有獨特的地位。
圖1 水星磁層示意圖
儘管水星磁層中存在着諸多與地球磁層極爲相似的動力學過程，如磁層亞暴、磁尾粒子向內磁層的注入等。此前，學界普遍認爲水星磁層過小，無法容納被穩定捕獲的能量粒子，因此傾向於認爲水星不存在環電流和磁暴。近期，北京大學地球與空間科學學院宗秋剛教授團隊，綜合分析了美國國家航空航天局信使號（MESSENGER）飛船爲期五年的觀測數據。得益於信使號飛船優越的儀器設備、軌道設計和調整規劃，水星磁層中的能量粒子具有高時空覆蓋率，有利於研究水星能量粒子的全空間分佈特徵。統計結果清晰地呈現出環電流這一結構。觀測顯示，水星的環電流在向陽面呈分叉狀（即環電流在向陽面出現在中高緯區域而非赤道處，如圖1所示），與地球的赤道環電流在形態上有很大差異。這一奇特的形態與試驗粒子模擬結果高度吻合。這主要是由於在強太陽風壓縮水星磁層的條件下，質子經歷Shabansky軌道導致的（如圖1所示）。這些觀測結果爲水星磁層中環電流的存在提供了確鑿證據，終結了持續半個多世紀的謎題。
目前觀測到的水星環電流質子總能量的動態範圍爲焦耳到焦耳，巨大的變化幅度足以支持磁暴活動的發生。根據推算，環電流所導致的地磁場下降在0.2 nT 到 3.5 nT之間，同比例相當於地球上Dst(Disturbance storm time, Dst)爲約30 nT 到500 nT的大磁暴。此外，信使號在臨近任務結束、撞擊水星之前，爲水星磁暴的存在提供了關鍵性的磁場觀測證據。這一階段的衛星軌道距離水星表面足夠近，爲探測地球以外的磁暴現象提供了絕佳的機會。在一次日冕物質拋射事件經過水星期間，利用一套成熟的天基地磁擾動指數算法分析了水星磁場在此期間的演化過程。這一演化過程與地球上的磁暴高度相似，包含了磁場突然下降的主相以及磁場緩慢增長迴歸到正常水平的恢復相。主相期間的磁場下降峯值超過60 nT，接近水星內稟磁場的三分之一。這一觀測說明，儘管水星磁層與地球磁層之間存在着極大的差異，與地球上相似、甚至更爲劇烈的磁暴現象依然可以在水星上發生。
北京大學地球與空間科學學院空間物理與應用技術研究所博士生趙玖桐爲文章Zhao et al. (2022)的第一作者，北京大學宗秋剛教授與樂超研究員爲文章的共同通訊作者。北京大學宗秋剛教授與中國極地研究所劉建軍研究員爲文章Zong et al. (2022)的第一作者和通訊作者。北京大學傅綏燕教授與宗秋剛教授爲上述文章寫了論評。這項工作得到了國家重點研發計劃“變革性技術關鍵科學問題”重點專項、民用航天技術預先研究項目、國家自然科學基金委的經費支持。
