科研动态丨空间中心科研人员在磁层顶重联磁剪切和流剪切效应研究取得新进展

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地球磁层顶磁场重联是太阳风物质能量进入地球空间的重要方式，也是地球磁层大尺度对流的主要驱动。以往观测表明，地球磁层顶磁场重联在空间尺度上可以延伸至数个地球半径，甚至超过十个地球半径。由于太阳风的绕流作用，重联在不同区域的磁场和流场参数会有极大的差异，从而会使磁层顶重联在不同区域存在显著不同的磁剪切和流剪切差异。这意味着真实的磁层顶重联与理想重联可能存在较大不同。已有研究表明，这两种剪切效应对重联的影响有相似的特征，均会（1）引起重联点的漂移运动，（2）降低重联等离子体的出流速度。然而这两种效应对重联影响程度的对比依然缺乏研究。

中国科学院国家空间科学中心太阳活动与空间天气全国重点实验室的研究团队联合中国科学技术大学等，利用磁层多尺度任务卫星（Magnetospheric Multiscale, MMS）与亚暴中事件的时间历程与宏观尺度相互作用任务卫星（Time History of Events and Macroscale Interactions During Substorms, THEMIS）在磁层顶大尺度范围内不同区域的多点同时观测数据，从2015年至2023年的观测中筛选出两个典型事件，分别覆盖了磁层顶的典型区域，包括日下点、侧翼和高纬地区。通过观测中磁层顶重联的上游参数，分析并对比了磁剪切与流剪切效应。结果如图1所示，在两个观测事例中，考虑磁剪切或流剪切的影响后，理论预测的重联出流速度均与观测速度更加接近。对比结果显示，磁剪切在观测中对重联出流速度的影响相对较弱，而流剪切在高纬磁层顶可以通过产生较大的重联点漂移速度来影响观测中的重联出流速度。

图1. 在不同条件下预测的重联出流速度柱状图。三个柱状条从左到右分别表示：未考虑磁剪切与流剪切时的预测结果，仅考虑磁剪切时的结果，以及仅考虑流剪切时的结果。红色区域表示磁剪切或流剪切对重联出流速度的减弱作用，蓝色斜条纹区域表示磁剪切或流剪切引起重联点的漂移速度大小。

而在实际过程中，磁剪切与流剪切通常共同作用于磁场重联，然而目前尚缺乏关于其综合影响机制的研究。为探讨该问题，作者假设重联点的漂移速度为磁剪切与流剪切效应的线性叠加，并据此得到两种剪切共同作用下对重联出流速度的影响表达式。该表达式显示磁剪切与流剪切对重联的影响是彼此独立的，与前述假设相一致。将观测中获得的参数代入该表达式，得到在上述假设条件下磁剪切与流剪切共同作用时重联出流速度变化图（如图2所示）。结果说明：在磁层顶的环境参数下，磁剪切更可能导致重联出流速度的降低与重联的抑制，流剪切的影响则体现在对重联点漂移速度的主导作用。

图2. 磁剪切与流剪切共同作用时对重联出流速度影响（基于重联点漂移速度为两种剪切效应叠加的假设）。

该项工作加深了我们对磁层顶重联在大尺度空间区域内受磁剪切与流剪切影响程度及其相对强弱的认识，同时探讨了实际过程中两种剪切效应对重联出流速度综合影响的物理关系与图像，为今后研究这两种剪切的综合影响提供了参考和基础。该项工作以“Effects of Magnetic Shear and Flow Shear on Magnetopause Magnetic Reconnection: Simultaneous Observations From MMS and THEMIS”为题发表在JGR: Space Physics上，论文第一作者为实验室张重乐博士研究生，通讯作者为唐斌斌研究员和李文亚研究员。该项工作得到了国家自然科学基金的资助。

论文链接:

https://doi.org/10.1029/2025JA033778

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