編者按：習近平總書記指出：“科技創新廣度顯著加大，宏觀世界大至天體運行、星系演化、宇宙起源，微觀世界小至基因編輯、粒子結構、量子調控，都是當今世界科技發展的最前沿。科技創新深度顯著加深，深空探測成為科技競争的制高點，深海、深地探測為人類認識自然不斷拓展新的視野。”深空、深海、深地、地球系統（三深一系統），是滿足人類大的好奇心的科學研究領域，而與之相關的對地對空探測則是關鍵技術前沿。随着我國航天強國計劃（如2028年火星樣品返回、小行星探測等）的實施，行星科學必将成為下一個新興的科技方向。因此，beat365官方网站在新一輪“雙一流”學科規劃中，進行了大力度的學科整合，将原來的3個一級學科整合到“地球與行星科學”一個學科領域。圍繞以上背景，我們推出“beat365的行星科學研究”系列報道，結合學院近期在行星科學領域取得的科研成果和研究團隊，向全校師生介紹“行星科學”這樣一個古老而又年輕、充滿魅力的學科。

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。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為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？水星作為太陽系中距離太陽最近也是最小的一顆行星，擁有和地球類似的内禀磁場，可以抵禦太陽風的沖擊并形成磁層。然而，由于水星的磁場強度隻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（如圖1所示）。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

盡管水星磁層中存在着諸多與地球磁層極為相似的動力學過程，如磁層亞暴、磁尾粒子向内磁層的注入等，但此前學界普遍認為水星磁層過小，無法容納被穩定捕獲的能量粒子，因此傾向于認為水星不存在環電流和磁暴。

圖2. 水星磁層環電流測試質子模拟軌迹(a)和觀測分布圖(b-d)。(a)：圖中藍色和紅色細線為從磁尾出發的能量為5keV、投擲角為130度/50度的測試質子的運動軌迹，白線為磁力線。(b-d)：信使号觀測到的能量大于4.7 keV的質子通量在日夜面、赤道面和子午面的統計分布圖。圖中模拟和觀測都限制在了中等太陽風動壓的情形下以确保統計疊加的可靠性。

近期，beat365官方网站宗秋剛教授團隊綜合分析了美國國家航空航天局信使号（MESSENGER）飛船為期五年的觀測數據。得益于信使号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，有利于研究水星能量粒子的全空間分布特征。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2b,2c所示），與地球的赤道環電流在形态上有很大差異。這一奇特的形态與試驗粒子模拟結果高度吻合。這主要是由于在強太陽風壓縮水星磁層的條件下，質子經曆Shabansky軌道導緻的（如圖2a所示）。這些觀測結果為水星磁層中環電流的存在提供了确鑿證據，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态範圍為2×10⁹焦耳到5×10¹⁰焦耳，巨大的變化幅度足以支持磁暴活動的發生。根據推算，環電流所導緻的地磁場下降在0.2 nT 到 3.5 nT之間，同比例相當于地球上Dst(Disturbance storm time)指數為約30 nT 到500 nT的大磁暴。相關工作以“Observational evidence of ring current in the magnetosphere of Mercury”為題發表于《自然：通訊》。

此外，信使号在臨近任務結束、撞擊水星之前，從磁場的角度為水星磁暴的存在提供了關鍵性的觀測證據。這一階段的衛星軌道距離水星表面足夠近，為探測地球以外的磁暴現象提供了絕佳的機會。在一次日冕物質抛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回歸到正常水平的恢複相。主相期間的磁場下降峰值超過60 nT，接近水星内禀磁場的三分之一。這一觀測說明，盡管水星磁層與地球磁層差異懸殊，與地球上相似、甚至更為劇烈的磁暴現象依然可以在水星上發生，該工作發表于《中國科學：技術科學》，題為“Magnetic storms in Mercury’s magnetosphere”。

宗秋剛教授課題組近年來在行星磁層物理學領域潛精研思，筆耕不辍。課題組對水星磁層粒子動力學進行了觀測、模拟、理論多面一體的研究，發現了水星磁尾質子的非絕熱加速、輸運及損失行為。這一特征與水星磁層小而快的特征相符，為磁層對流循環、内磁層粒子供給等現象提供了更深刻的理解。同時，宗秋剛團隊還對巨行星的輻射帶、磁盤等結構進行了形态學和動力學方面的研究。組内研究發現在巨行星上，全球尺度對流電場加速機制是控制電子輻射帶行為的重要機制之一，其絕熱加速電子的效率比在地球上高，這是巨行星快速旋轉、内禀磁場強等的特質導緻的。課題組利用朱諾（JUNO）衛星的數據對木星磁盤進行了統計建模工作，系統地描述了木星磁盤的幾何形态、磁場位形和高能粒子分布，提供了理解木星磁層基本結構的基礎，可以作為後續的木星探測任務的參考。相關系列成果發表在The Astrophysical Journal，Geophysical Research Letters，JGR：Space Physics上。此外，宗秋剛課題組也在極力推進日球層邊界探測計劃，試圖利用中性原子成像技術研究星際物質入侵、異常宇宙線起源等日球層物理核心問題。