地質地球所等研究發現水星東向環電流

　　水星是太陽系中距離太陽最近的一顆行星。上世紀70年代，水手10號兩次近距離掠飛水星，發現水星可能存在全球偶極磁場。2011年，美國信使號成為首個環繞水星探測的飛船，并開啟了長達四年的連續在軌監測。信使號的觀測證實了水星存在一個較弱的全球偶極磁場，其磁偶極矩約為地球偶極矩的萬分之四，表明水星內核磁場發電機要遠弱于地球當前內核磁場發電機。與地球磁層類似，水星磁場與外部太陽風的相互作用也能形成一個磁層空腔，不過尺度遠比地球磁層小（約為地球磁層的5%）。因此水星磁層在某種程度上可近似看作是地球磁場變弱時候的磁層“樣本”。

　　地球偶極磁場能夠有效捕獲太陽風高能帶電粒子，使得地球免遭太陽高能粒子的直接轟擊。捕獲的太陽高能帶電粒子在偶極磁場的引導作用下會漂移（離子西向漂移，電子東向漂移）形成一個環繞地球的西向環電流。當出現太陽風暴時，西向環電流顯著增強，并造成地表地磁場強度的下降（圖1）。

　　由于水星磁層空間的觀測資料有限，通常認為水星磁層是地球磁層按比例縮小的“小號”版本，也應該存在一個由捕獲離子形成并環繞水星的西向環電流。但有學者認為，若將地球環電流高能粒子放在水星偶極磁場中，那么水星環電流區域則應對應位于水星表面以下。所以，水星顯然是不可能存在環電流。此外，由于水星向陽面磁層高度壓縮，捕獲粒子也較難以絕熱粒子的形式形成閉環漂移運動。但也有學者認為，雖然高能粒子不易捕獲，但水星有可能捕獲較低能量的粒子，并且在觀測研究和模擬研究中發現了這樣的捕獲粒子。然而，對于這樣的捕獲粒子能不能形成西向環電流仍不清楚。

　　澄清水星是否具有西向環電流對于認識太陽風與水星相互作用，揭示水星空間等離子體物理過程具有科學意義，并有助于探索行星磁場演化在行星宜居環境中所扮演的角色。然而，考慮到信使號等離子體儀器的視場有限，研究獲得的等離子體整體速度、密度、溫度等參量存在一定誤差，這給直接分析離子的漂移運動帶來了困難。此外，即使離子漂移運動能環繞水星形成閉合路徑，如何評估這些漂移離子是否帶來顯著的西向環電流也是較為困難。

　　為此，中國科學院地質與地球物理研究所地球與行星物理院重點實驗室博士生石振在導師研究員戎昭金、魏勇的指導下，與瑞典于默奧大學、美國密歇根大學等機構的國際學者合作，提出可通過計算信使號測量到磁場的平均旋度，進而反演水星空間電流分布，確認水星空間是否存在顯著的西向環電流（因為顯著的環電流會產生顯著的磁場擾動）。通過對信使號近4年的磁場統計分析，研究顯示水星磁層內部不存在類似于地球磁層的西向電流環帶；但在水星夜側磁赤道附近，～500-1000 km高度范圍內存在一個明顯的東向電流（JEC，圖2）。該東向電流主要集中在磁赤道面上，自西向東運轉，并與向陽面的磁層頂電流（JCF）閉合形成回路。進一步的模擬研究證實了該結論，并顯示出該東向電流能永久性地存在于任意太陽風條件下。結合模擬及相關分析計算，科研人員提出了東向電流的形成機理（圖3）：太陽風離子通過擴散作用從磁層兩側進入水星磁層，在磁場的引導作用下，在夜側磁赤道面附近形成準捕獲等離子體帶；在等離子體帶的內側，徑向向外的等離子體壓力梯度與磁場共同驅動了東向抗磁電流。

　　東向電流的發現更新了對水星磁層電流體系的傳統認知，澄清了多年的科學謎題——水星至少不顯著存在類似地球磁層的西向環電流，不能簡單地將水星磁層視為地球磁層的“小號”版本。此外，水星東向電流的發現對于理解水星發電機演化、系外行星空間等離子體環境等科學探測具有重要的科學意義。

　　相關研究成果發表在Geophysical Research Letters上。研究工作得到中科院戰略性先導科技專項、國家自然科學基金、中科院地質地球所重點部署項目、中科院重點部署項目的資助。