地球磁層頂和等離子體層頂是太陽風-磁層-電離層耦合系統的關鍵外邊界和内邊界區域(圖1)。等離子體層頂動力學是輻射帶、環電流和等離子體層之間耦合的一個重要名額。它對地磁活動反應靈敏，與極光特征相關，并通過波粒互相作用影響環電流和輻射帶的高能粒子沉降。基于磁流體動力學理論，Chen and Hasegawa（1974）提出作用于磁層頂和等離子體層頂的壓力脈沖可以激發這些根植于共轭電離層的有限邊界層表面上的離散頻率本征模式。然而，短時間尺度脈沖驅動經常會導緻超低頻波模式的複雜疊加，是以阻礙了後續的發展。通過星載和地面聯合儀器，直到最近幾年才捕捉到直接、确鑿的觀測證據表明磁層頂表面特征模态(MSE)和等離子體層頂表面波(PSW)存在。
圖1 太陽風、内磁層和電離層耦合中的超低頻波(摘自Usanova and Shprits，2016)
然而，關于PSW的激發、演化、頻率選擇、空間天氣效應和波粒互相作用，許多關鍵問題仍然尚未明确。先前的研究表明，起源于日側磁層頂的峰值頻率為1-2mHz的MSE可以沿着磁層頂表面自然地向磁尾傳輸，可能提供種子波動，盡管沒有發生在開爾文-亥姆霍茲不穩定性的主要增長頻率，這些波動随後也會通過晨昏側的開爾文-亥姆霍茲不穩定性增長、合并和耗散。然而，在等離子體層頂上，無論是通過原位觀測還是數值模拟，PSW的空間演化模式都未得到解決。
針對這一問題，中國科學院地質與地球實體研究所地球與行星實體院重點實驗室博士生周一甲在導師何飛研究員指導下，聯合堯中華特聘研究員、戎昭金研究員、魏勇研究員，國家衛星氣象中心的張效信研究員、以及英國帝國理工大學的Martin Archer教授、德國馬克-普朗克太陽系統研究所Y. X. Hao博士，對一次中等地磁暴期間PSW的空間演變特征進行了綜合分析(圖2)。這項研究巧妙地利用了在等離子體層頂的六顆衛星觀測資料(圖3)。通過對波和粒子特征的研究，準确地識别了驅動PSW的源，并首次确定了PSW呈現種子區-增長區-穩定區-衰減區四個階段的空間演化模式(圖4)。
圖2 2017年7月16日太陽風參數和衛星軌迹
文章主要結論總結如下：
（1）能量在0.1-10keV之間的高能質子和氧離子周期性注入能夠作用于陡峭的等離子體層頂邊界，導緻PSW的激發。這一觀點被質子和氧離子能通量的準周期同步擾動、AE指數的多重峰值以及近磁尾擾動的極向波的同時觀測所證明。雖然之前的研究表明，在亞暴期間，PSW可能會被高能粒子注入所激發，但是該研究通過同時監測磁尾條件和黃昏側PSW進一步識别了造成這種現象的粒子種類。
（2）PSW的“種子區”的特點是角向磁場成分微弱的種子擾動，伴随着等離子體層頂上強烈的擠壓特征。這可能與前人的日側低緯邊界層處的擠壓或橫向磁場波動很可能作為激發晨昏側磁層頂上開爾文-亥姆霍茲波的種子擾動的理論相一緻，盡管它們的傳播方向相反。
（3）PSW的“增長區”的特點是主導的極向駐波成分和高能電子能通量的周期性調制，以及冷電子密度的不規則微弱擾動和重的高能離子的無擾動。在“穩定區”，充分發展的PSW表現為最顯著的極向波和擠壓極向波以及中等強度的共轉波相耦合的混合波，其各個成分都表現出駐模特征。這種PSW可以周期性地調節高能電子、等離子體層冷電子密度和重的高能質子、氧甚至氦離子。通過比較，可以得出PSW強大的擠壓極向(極向)駐波對周期性調節冷電子密度和各種離子能通量(高能電子能通量)至關重要。
（4）“衰減區”的PSW以複合波的形式呈現，由共轉波和不穩定極向波共同主導，輔以局部擠壓特征，在等離子體層頂上留下零星的擾動，但這種擾動在高能電子、冷等離子體層電子和重的高能離子中仍然可見。PSW的稀疏化在很大程度上可歸因于下午側等離子體層頂附近的高能環電流離子壓力的降低，正如零星的擠壓磁場分量和增加的共轉磁場分量所表明的那樣。
圖3 由六顆衛星測量的PSW四階段演化的時間序列資料的概述
圖4 PSW四階段演化的磁場和速度場擾動的波模特征
研究成果發表于國際學術期刊GRL(周一甲，何飛*，Martin O. Archer，張效信，Y. X. Hao，堯中華，戎昭金，魏勇. Spatial Evolution Characteristics of Plasmapause Surface Wave during a Geomagnetic Storm on July, 16,2017 [J]. Geophysical Research Letters, 2024. DOI:10.1029/2024GL109371)。研究得到國家自然科學基金項目(42222408,41931073)、中國科技部重點研發計劃(2021YFA0718600)、中科院青促進(Y2021027) 和UKRI (STFC/EPSRC) Stephen Hawking Fellowship (EP/T01735X/1)的聯合資助。
美編：傅士旭(華東師大）
校對：萬鵬