石振等：水星导电核如何“遥控”太阳风粒子的沉降

与地球相比，水星的空间环境要“简单”一些：它没有显著的大气层和电离层，却拥有一个极为特殊的内部电导率结构——一个异常巨大的导电核。正是这种结构，让水星的内部与外部圈层（逃逸层与磁层）通过电磁场牢牢耦合在一起。那么，内部电导率结构对外部圈层究竟有怎样的影响？具体机制是什么？尤其对场向电流这种多圈层耦合的纽带而言，又意味着什么？

为厘清这些问题，中国科学院地质与地球物理研究所的石振博士后与合作导师戎昭金研究员等，联合瑞典于默奥大学、美国波士顿大学、美国密歇根大学、瑞典空间物理研究所等多家机构的国际学者，基于信使号（MESSENGER）探测器的观测数据，利用三维等离子体混杂模拟（hybrid simulation）开展了系列研究。

仅仅使用观测数据来分析内部电导率的影响十分困难，因为内部电流产生的磁场、水星本征偶极场与磁层电流系的磁场等全部叠加在一起，不同源场的分离极其困难；而借助数值模拟，源区之间的分离就变得可行。研究团队用形态学算法分离场向电流，用行星内部电流隔离的方法提取星球内部电流，从而实现对水星内部电导率结构影响的研究。研究发现：水星内部电导率结构调控着用于闭合场向电流的星球内部传导电流和水核的感应电流；这些电流产生的磁场与伴随的电场继而影响外部圈层，并最终改变太阳风粒子在表面的沉降分布。换句话说，水星深处的导电核能够隔着壳幔“遥控”太阳风粒子的沉降。

一、连接电离层和磁层的纽带——场向电流

在地球磁层中，有一种沿着磁场方向流动的空间电流，被称为场向电流（Field-Aligned Current，FAC），又称伯克兰电流（Birkeland current）。它沿磁力线由磁层下行流入极区电离层，与电离层中的横向电流闭合后再上行流回磁层（图1）。在这一过程中，场向电流既是太阳风—磁层—电离层耦合体系中电磁能量传输的主要通道，也是空间等离子体物质输运的重要桥梁；地球上绚丽的极光，正是这条“输电线”把能量与粒子送入高层大气的产物。

按其分布形态，地球的大尺度场向电流可分为三类：1区场向电流沿极区卵形带分布，在晨侧流入电离层、在昏侧流出；2区场向电流位于1区的赤道侧，极性与1区相反；NBZ场向电流出现在正午附近、1区的极向侧，主要在行星际磁场的北向分量较强时出现。三类电流都通过在电离层中流动的霍尔电流与佩德森电流完成闭合，其分布显著受上游行星际磁场（Interplanetary Magnetic Field, IMF）方向的调制：Bx控制南北不对称性，By控制晨昏不对称性，Bz则控制电流的整体强度。

图1 地球磁层空间中场向电流的结构示意图

二、水星没有电离层，场向电流如何闭合

水星是太阳系中除地球之外唯一拥有全球性内禀磁场的类地行星。它的偶极磁场比地球弱得多，加之离太阳最近、所遭遇的太阳风更为剧烈，偶极磁场与太阳风相互作用形成的磁层也小得多。然而水星的磁层虽小，结构却同样复杂。信使号的观测显示，水星存在显著而稳定的1区场向电流。可是，水星既没有大气层，更没有电离层，它的场向电流究竟是如何建立并闭合的？这一问题长期困扰着研究者。

观测推算表明，闭合水星1区场向电流需要约1西门子（S）的有效电导；而水星稀薄的逃逸层（约0.1 S）与表面风化层都远远提供不了这个量级的有效电导。答案只能向星球更深处寻找。水星的内部结构极为特殊：它拥有一个巨大的金属核，核半径约为水星半径的0.8倍，核的外层至今仍处于熔融状态，电导率极高；而覆盖其上的壳与幔导电性极差。地球物理学界据此用一个简洁的“双层模型”来描述水星内部——外层（水壳+水幔）电导率很低，内层（水核）电导率很高。由此推测，场向电流可以穿透导电性极差的外层，在高电导率水核的表面完成闭合，也就是说，水星的场向电流能够借助水星本体实现闭合。

那么，水星的场向电流能否真的通过水星本体完成闭合？它对不同IMF方向又如何响应？受信使号时空覆盖能力的限制，单凭观测无法回答这些问题，研究团队转而借助数值模拟检验双层模型的可能性，并考察IMF方向的影响。模拟结果证实，导电的水核确实能够帮助场向电流完成闭合；水星同样存在1区、2区和NBZ场向电流，其中1区占主导。就对IMF方向的响应而言，水星场向电流整体上与地球类似，2区场向电流却表现出明显差异：IMF北向时2区场向电流清晰可辨，IMF南向时则几乎消失。这说明水星磁层与地球磁层既有相似之处，又有着自身独特的结构与动力学响应。

图2 水星场向电流在不同IMF方向和电导率剖面下的南北半球分布（数值模拟结果）

三、水星内部电导率结构对场向电流的影响

既然水星本体参与了场向电流的闭合，那么其自身的电导率结构必然会影响场向电流的强度与分布。这种影响究竟如何体现？研究团队结合理论分析与数值模拟两条途径进行了深入探讨。

1区场向电流在晨侧流入星球、在昏侧流出，是水星最显著的场向电流体系。因此，厘清它对内部电导率结构的响应，就抓住了问题的关键。在理论分析中，研究团队把1区场向电流等效为连接水星晨昏两侧的一对“导线”，计算了不同电导率剖面下电流的闭合路径与总强度。结果显示，当水星拥有高电导率的水核时，场向电流会“抄近路”，贴着水核表面完成闭合；与不存在导电水核的情形相比，1区场向电流的强度增强了约一倍。外层电导率（水壳与水幔的平均电导率）同样关键：1区场向电流的总强度与外层电导率成正比。在三维等离子体混杂模拟中，研究团队进一步用形态学算法把1区场向电流单独隔离出来加以计算，所得结论与理论分析高度一致（图3）。

场向电流的这种依赖关系还带来了一个更具价值的推论：既然场向电流的强度受制于内部电导率，那么反过来，对它开展观测也可以用来约束水星内部的电导率结构。结合信使号的统计观测与上述分析，研究团队初步推算出水壳与水幔的平均电导率约为~5.4×10-7-1.1×10-6 S/m。

图3 场向电流分布的理论计算和数值模拟结果对比

四、粒子沉降与水星逃逸层的形成

场向电流并非“凭空流动”，它需要载流子——电子或离子。因此，伴随场向电流的粒子会顺理成章地沿着磁场向星球沉降。对地球这样拥有浓厚大气的行星，场向电流通过电离层闭合，高能沉降粒子激发大气中的原子与分子，在极区点亮绚丽的极光；从高空俯视，这些发光区域围成一个椭圆环状结构，被称为“极光卵”。水星的情形则完全不同：它没有大气层，场向电流经由星球本体闭合，随电流而来的沉降粒子便直接轰击到水星表面。这些粒子的作用远不止充当电流载体，它们还会在水星表面直接或间接地驱动离子溅射、化学溅射等多种物理化学过程，把表面物质释放出来，为水星稀薄的逃逸层提供物质（图4）。这是水星空间风化的重要一环。

图4 水星表面粒子沉降导致钠原子逃逸的示意图

五、水星内部电导率结构对粒子沉降的影响

沉降粒子的分布与场向电流的分布紧密相关，又深刻影响着水星逃逸层的形成；而内部电导率结构对场向电流有着决定性影响，由此可以推断，内部电导率结构很可能同样深刻影响着全球粒子沉降的分布。这种影响究竟如何体现？厘清这一问题，对认识水星逃逸层的形成乃至整个水星空间环境的演化都至关重要。为此，研究团队利用三维等离子体混杂模拟，细致对比了三种不同内部电导率结构下的太阳风质子沉降分布，深入探讨了内部电导率调控全球粒子沉降分布的物理机制。

数值模拟中，研究团队设置了三种电导率剖面：1H（整颗水星取单一的较高电导率值）、2H（包含导电水核的双层模型，外层电导率较高）和2L（同为双层模型，但外层电导率较低）。模拟给出的太阳风质子沉降分布，如图5所示。对比1H与2H两种剖面可见：1H剖面下日侧中低纬度的质子沉降更少、夜侧中低纬度的沉降更多；北向IMF条件下1H剖面的全球总沉降量更大，南向IMF条件下则略小。再对比2H与2L剖面：2H剖面下日侧中低纬度沉降更多、夜侧中低纬度沉降更少。此外，几乎所有算例中的质子沉降都存在显著的晨昏不对称性——晨侧沉降更多，昏侧更少。

图5 南向（SS）与北向（SN）IMF条件下，三种不同水星内部电导率剖面（1H、2H、2L）对应的水星周围等离子体密度分布与表面太阳风质子沉降分布

通过对比不同电导率剖面下的电磁场分布，研究团队进一步提炼出内部电导率影响质子沉降分布的三条机制：（1）导电水核的电磁感应效应整体增强了水星的等效偶极磁场，相当于为中低纬度地区撑起一把“磁伞”，使其少受质子沉降轰击；（2）在水星内部流动、用于闭合1区场向电流的传导电流，其磁场削弱日侧、增强夜侧的偶极场，从而使日侧沉降增多、夜侧沉降减少；（3）与1区场向电流相伴的晨昏电场在晨侧吸引质子、在昏侧排斥质子，形成沉降的晨昏不对称性。相应的电流与磁场分布示意如图6所示。三条机制叠加意味着：在同一颗水星、同样的太阳风条件下，只要内部电导率结构不同，表面粒子的沉降格局就会被重新洗牌——这正是导电核“遥控”太阳风粒子沉降的物理内涵。由此还可以推想，在水星漫长的演化历程中，其空间环境也随着内部电导率结构的变迁而变化。

图6 不同水星内部电导率结构下感应电流和1区场向电流特征示意图

六、科学意义与展望

综上所述，水星独特的内部电导率结构对其场向电流和表面粒子沉降均具有重要影响。研究团队借助形态学算法与行星内部电流隔离的方法，细致刻画了这种影响。相关成果的科学意义主要体现在以下三个方面：

第一，把“行星内部因素”推到了前台。以往关于太阳风与行星相互作用的研究，关注点几乎都集中在“外部因素”——太阳风密度、速度以及行星际磁场方向。这一系列研究则系统地表明：行星内部因素，尤其是内部电导率结构，同样是塑造水星空间环境的重要一环，不应被忽视。

第二，给出了一幅新的多圈层耦合图景。在地球上，是“太阳风—磁层—电离层”三者耦合，电离层以良导体的身份闭合电流回路；在水星上，这个角色由星球本体亲自扮演，耦合链条由此延伸为“太阳风—磁层—逃逸层—表面—内部”。行星内部因而不再是与空间环境无关的“深层背景”，而是整个系统的有机组成部分。鉴于电磁作用是长程的，这种影响并不止于行星表面，至少会延伸至内磁层。

第三，开辟了一条“从外面看里面”的新路径。既然场向电流受水星内部电导率结构调控，那么未来对水星场向电流的精确观测，便可以用来反演其内部的电导率结构，进而约束核的状态、壳幔厚度等关键地球物理参数。研究团队已将模拟结果与观测结果相结合开展初步推算，给出了外层电导率的独立估计。

最新的水星探测任务——由欧洲空间局（ESA）与日本宇宙航空研究开发机构（JAXA）联合实施的贝皮哥伦布任务（BepiColombo）——已于2026年9月完成转移模块分离，计划于同年11月21日进入水星轨道，随后ESA的水星行星轨道器（MPO）与JAXA的水星磁层轨道器（Mio）分离并各自就位，拟于2027年4月6日正式启动科学观测。这是人类首次以两颗探测器联合的方式探测水星，将提供更丰富的水星场向电流与表面粒子沉降观测数据，为检验和应用本系列研究的成果提供了难得的机遇。当然，即便两点联合观测，也难以完全刻画内部电导率剖面的影响，专门的数值模拟在未来仍不可或缺。

论文信息：

1. 石振*, 戎昭金, Shahab Fatemi, 何飞, 李守定, 董川飞, Cierra Dany Waller, James Arthur Slavin, Mats Holmström, Stas Barabash, 魏勇. Effects of interior conductivity on solar wind proton precipitation on Mercury[J]. Astronomy & Astrophysics, 2026, 714: A394. DOI: 10.1051/0004-6361/202662560.

2.石振, 戎昭金*, Shahab Fatemi, 董川飞, Lucy Klinger, 高佳维, James Arthur Slavin, 何飞, 魏勇, Holmström M, Barabash S. Mercury's field‐aligned currents: Perspectives from hybrid simulations[J]. Journal of Geophysical Research: Planets, 2025, 130: e2024JE008610. DOI: 10.1029/2024JE008610.

3.石振*, Shahab Fatemi, 戎昭金, 何飞, 魏勇. Effects of the interior conductivity on Mercury's field-aligned currents[J]. Icarus, 2025, 438: 116633. DOI: 10.1016/j.icarus.2025.116633.