木星磁层极尖区的原位证据 |许严等-NC

地球的极尖区（cusp）是一个漏斗形的特殊区域，是地球磁场与外太空相连接的关键通道。通过这个区域，太阳风和磁鞘粒子能够直接进入地球大气层。极尖区在磁场和太阳风的相互作用、物质传输以及能量转移等过程中起着重要作用，也与极光的形成和磁场重联等现象和过程密切相关。因此，研究极尖区对理解行星磁场的动态变化至关重要。

最近的高精度模拟研究（Zhang et al.，2021,SA；Chen et al.，2023, GRL）表明，地球和木星的磁场结构有很大不同。与地球对称的磁场不同，快速旋转的木星在上午侧的磁层比下午侧更加膨胀，这使得木星的极尖区和开放磁力线区域出现在黄昏一侧，这与地球极尖区主要出现在中午附近的情况形成了鲜明对比（图1）。

由于之前对木星的探测任务覆盖范围有限，木星极尖区的确切分布和特征尚不清楚，一直缺乏对木星极尖区的详细研究。朱诺号（Juno）探测器的极轨轨道首次来到木星昏侧附近，为观测木星昏侧高纬度的极尖区提供了宝贵的机会。

图1 高分辨率模拟下地球的对称磁力线构型与快速旋转木星的不对称构型（修改自Chen et al.，2023）

中国科学院地质与地球物理研究所许严博士生，与导师尧中华特聘研究员等，在该研究中采用了地球已建立完善的常用识别极尖区的方法和定义。根据地球极尖区的一个可行定义，简单来说极尖区是高纬度磁层内部充满磁鞘等离子体的区域。因此，探测器在高纬度磁层顶内部的位置是识别极尖区的重要依据。此外，磁鞘状电子分布（10-100 eV的增强）和与磁层重联相关的离子色散特征也是识别极尖区的关键。

该研究报道的一个典型案例中，朱诺号探测器位于木星高纬度（78-86°）的磁层顶内部（图2）。在顶部红色条框内，探测器探测到了磁鞘状电子和离子色散特征（以及等离子体波），这些特征与地球和土星的极尖区一致，因此该区域被确定为木星的极尖区。将探测器的磁坐标信息与高精度模拟的磁层结构进行对比分析，可以看出探测器位置位于极尖区相关的昏侧开放磁力线区域（图2），这表明观测和模拟结果一致。木星极尖区的特殊位置分布（图3）被认为与其快速旋转的磁场结构和木星距离太阳5 AU的特殊太阳风条件有关。

图2 木星极尖区的原位观测证据之一和朱诺探测器的位置示意图。(a-e)朱诺探测器观测证据，从上到下依次为JSS坐标系中的R-Theta-Phi磁场分量、总磁场强度、电子能谱数据、质子能谱数据和等离子体波数据；(f) 高精度模拟下木星的全球磁层拓扑结构和昏侧的开放场构型以及朱诺探测器的位置

图3 太阳视角下的木星昏侧极尖区（红色）示意图

综上，该研究首次详细描述了木星尖点的特征，帮助我们进一步了解太阳风如何与不同行星的磁场相互作用。昏侧极尖区观测证据对太阳风如何与快速旋转的行星相互作用提供了见解，这对于理解空间天气及其如何恒星和行星相互耦合作用有着重要推进。

研究成果发表于国际权威学术期刊Nature Communications（许严，Chris Arridge，尧中华*，张彬铮，Licia Ray，Sarah Badman，William Dunn，Robert Ebert，陈俊杰，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.）。研究受国家自然科学基金项目（42388101）资助。

编辑：刘强