木星磁層極尖區的原位證據 |許嚴等-NC

地球的極尖區（cusp）是一個漏斗形的特殊區域，是地球磁場與外太空相連接的關鍵通道。通過這個區域，太陽風和磁鞘粒子能夠直接進入地球大氣層。極尖區在磁場和太陽風的相互作用、物質傳輸以及能量轉移等過程中起著重要作用，也與極光的形成和磁場重聯等現象和過程密切相關。因此，研究極尖區對理解行星磁場的動態變化至關重要。

最近的高精度模擬研究（Zhang et?al.，2021,SA；Chen et?al.，2023, GRL）表明，地球和木星的磁場結構有很大不同。與地球對稱的磁場不同，快速旋轉的木星在上午側的磁層比下午側更加膨脹，這使得木星的極尖區和開放磁力線區域出現在黃昏一側，這與地球極尖區主要出現在中午附近的情況形成了鮮明對比（圖1）。

由于之前對木星的探測任務覆蓋范圍有限，木星極尖區的確切分布和特征尚不清楚，一直缺乏對木星極尖區的詳細研究。朱諾號（Juno）探測器的極軌軌道首次來到木星昏側附近，為觀測木星昏側高緯度的極尖區提供了寶貴的機會。

圖1 高分辨率模擬下地球的對稱磁力線構型與快速旋轉木星的不對稱構型（修改自Chen et al.，2023）

中國科學院地質與地球物理研究所許嚴博士生，與導師堯中華特聘研究員等，在該研究中采用了地球已建立完善的常用識別極尖區的方法和定義。根據地球極尖區的一個可行定義，簡單來說極尖區是高緯度磁層內部充滿磁鞘等離子體的區域。因此，探測器在高緯度磁層頂內部的位置是識別極尖區的重要依據。此外，磁鞘狀電子分布（10-100 eV的增強）和與磁層重聯相關的離子色散特征也是識別極尖區的關鍵。

該研究報道的一個典型案例中，朱諾號探測器位于木星高緯度（78-86°）的磁層頂內部（圖2）。在頂部紅色條框內，探測器探測到了磁鞘狀電子和離子色散特征（以及等離子體波），這些特征與地球和土星的極尖區一致，因此該區域被確定為木星的極尖區。將探測器的磁坐標信息與高精度模擬的磁層結構進行對比分析，可以看出探測器位置位于極尖區相關的昏側開放磁力線區域（圖2），這表明觀測和模擬結果一致。木星極尖區的特殊位置分布（圖3）被認為與其快速旋轉的磁場結構和木星距離太陽5 AU的特殊太陽風條件有關。

圖2?木星極尖區的原位觀測證據之一和朱諾探測器的位置示意圖。(a-e)朱諾探測器觀測證據，從上到下依次為JSS坐標系中的R-Theta-Phi磁場分量、總磁場強度、電子能譜數據、質子能譜數據和等離子體波數據；(f) 高精度模擬下木星的全球磁層拓撲結構和昏側的開放場構型以及朱諾探測器的位置

圖3 太陽視角下的木星昏側極尖區（紅色）示意圖

綜上，該研究首次詳細描述了木星尖點的特征，幫助我們進一步了解太陽風如何與不同行星的磁場相互作用。昏側極尖區觀測證據對太陽風如何與快速旋轉的行星相互作用提供了見解，這對于理解空間天氣及其如何恒星和行星相互耦合作用有著重要推進。

研究成果發表于國際權威學術期刊Nature Communications（許嚴，Chris Arridge，堯中華*，張彬錚，Licia Ray，Sarah Badman，William Dunn，Robert Ebert，陳俊杰，Frederic Allegrini，William Kurth，秦天澍，Jack Connerney，David McComas，Scott Bolton，魏勇. In situ evidence of the magnetospheric cusp of Jupiter from Juno spacecraft measurements[J].Nature Communications,?2024, 15(1): 6062. DOI:10.1038/s41467-024-50449-z.）。研究受國家自然科學基金項目（42388101）資助。

編輯：劉強