環電流是行星磁層電流系統的重要組成部分，由離子和電子朝相反方向的漂移運動形成，存在于具有内禀磁場的行星周圍，如水星、地球、木星和土星。對地球磁層的研究證明了增強的環電流不僅會導緻磁暴活動期間的地磁場減弱，而且在全球磁層-電離層耦合中起着至關重要的作用。太陽系氣态巨行星(土星和木星)的快速自轉和豐富的内源等離子體同樣可以産生磁層環電流，但由于有限的衛星軌道覆蓋，對環電流長期動态變化的全局研究非常困難。

beat365空間物理與應用技術研究所樂超研究員課題組利用土星探測衛星卡西尼号(Cassini)上搭載的能量中性原子成像儀研究了土星環電流的長期分布特征，發現由超熱等離子體(～24-230 keV)貢獻的環電流成分在空間分布和強度上存在近11年的長周期變化，并将這種變化與太陽活動周期相關聯，提出太陽活動周期調制土星磁層中等離子體加速與輸運過程的可能性。相關成果于近期發表于學術期刊《自然·通訊》(Nature Communications)。

能量中性原子(ENA)是高能帶電粒子在磁層中與中性氣體交換電荷時産生的，它們保持了原離子的能量和方向并沿直線運動，從而可以通過遙測方式探測，當觀測角度合适時，ENA成像可以展示環電流帶電粒子的全局分布和動态變化。圖1展示了衛星處在高緯度軌道時期的ENA成像在赤道平面投影的統計結果，結果顯示環電流超熱等離子體的地方時分布和能量密度均存在長期變化，峰值的地方時位置在午夜前和午夜後之間擺動，整體能量密度自2007年起下降，到2013年達到最低，随後在2016年又逐漸恢複。

圖1. ENA能量密度在赤道平面上的分布以及環電流超熱等離子體成分的長期變化

圖2. 環電流超熱等離子體成分地方時分布不對稱性的長周期變化分析

圖3. 環電流超熱等離子體成分總能量的長周期變化分析

圖2和圖3對上述長周期變化分别做出進一步分析，将觀測數據分為數據量相當的七個時間段，采用正弦函數拟合得到環電流超熱等離子體成分的峰值位置的地方時分布(圖2)和環電流總能量(圖3)變化周期，結果均約為11年。将環電流變化周期與太陽黑子數比較，發現環電流活動變化與太陽活動周期呈現明顯相關性，在太陽活動高年環電流強度更低，峰值位置偏向午夜前，在太陽活動低年則相反。

研究結果表明太陽活動可能調制土星磁層等離子體加速與輸運過程。一方面太陽風壓縮土星磁層，日側磁層頂與行星際磁場重聯引起的磁尾重聯和等離子體注入(Dungey cycle)，與土星自轉驅動的磁尾重聯和等離子體注入(Vasyliunas cycle)過程相互作用，可能引起環電流地方時分布不對稱性的變化；另一方面太陽輻射可以影響土星電離層電導率，并通過共轉驅動的場向電流影響磁層中的磁通量管交換過程，從而調制環電流超熱等離子體的加熱(圖4)。此外，類似的長周期變化也存在于土星輻射帶和正午-午夜電場中，說明太陽活動的調制可能更廣泛地存在于土星磁層中。本研究為太陽活動調制氣态巨行星磁層提供了新的視角，并期待能通過未來的木星探測衛星(JUICE)搭載的ENA成像儀展開更進一步的研究。

圖4. 土星磁層中的等離子體加速與輸運過程以及太陽活動的調制

beat365官方网站空間物理與應用技術研究所博士研究生李一萌為本論文的第一作者，樂超研究員為論文通訊作者。其他合作者還包括密西根大學賈賢哲教授，beat365孫翌馨博士，宗秋剛教授和周煦之研究員。本工作得到了國家自然科學基金和國家重點研發計劃等項目的支持。

論文信息：Li, Y., Yue, C., Sun, Y., Jia X., Zong Q., Zhou X. Energetic neutral atom imaging reveals nearly 11-year cycle of the ring current of Saturn. Nat Commun 15, 10597 (2024). https://doi.org/10.1038/s41467-024-55037-9

文章鍊接：

https://www.nature.com/articles/s41467-024-55037-9