空间中心科研人员揭示地球磁鞘区离子动理学不稳定性的空间演化特征

由于弓激波的加热和压缩，地球磁鞘区等离子体呈现出剧烈湍动的特征。同时，大量观测表明磁鞘离子速度分布函数在平行和垂直于背景磁场的方向上常常呈现不同的温度，即温度各向异性。等离子体的温度各向异性通常与电磁波动的激发有着紧密联系，而这通常被称为等离子体不稳定性。理解地球磁鞘区离子动理学不稳定性的驱动和演化对于理解近地等离子体环境中电磁扰动的激发和耗散规律至关重要。

在磁鞘中，诸如磁场强度、等离子体 β 值和阿尔芬马赫数等参数呈现出显著的空间演化特征，如最显著的太阳风减速、压缩和加热现象发生在弓激波日下点区域。同时，激波上游多变的太阳风条件以及动态的边界条件也会显著改变磁鞘等离子体的特性，如在准平行激波条件下（即激波法向方向与行星际磁场之间的夹角较小），反射的场向离子束流会从激波处逃逸进入激波前兆区，并由于离子动理学不稳定性产生强烈且大幅度的电磁波动并对流到下游磁鞘中。然而，离子动理学不稳定性在地球磁鞘中是如何演化的，以及它们对上游太阳风条件的参数依赖关系究竟如何，目前仍不清楚。

近日，空间中心太阳活动与空间天气全国重点实验室王赤院士团队的蒋文策博士后与李晖研究员，联合英国伦敦大学学院穆拉德空间科学实验室Daniel Verscharen教授，基于MMS卫星数据，详细分析了亚离子尺度离子温度各向异性驱动的动理学不稳定性在地球向阳侧磁鞘内的统计特征，揭示了地球磁鞘区典型的离子动理学不稳定性（如mirror-mode不稳定性和firehose不稳定性）的空间演化以及参数依赖关系（典型事例见图一），发现了不稳定性存在显著的空间依赖性：与磁鞘侧翼区域相比，mirror-mode不稳定性的发生率在日下点磁层顶附近出现更高（如图二所示）；Oblique-firehose不稳定性的发生率在弓激波区域附近更高（如图二所示）。此外，这些不稳定性的发生及其空间分布与等离子体的上游条件直接相关。

该项研究揭示了地球磁鞘区不同离子动理学不稳定性的空间演化以及参数依赖关系，为理解磁鞘区复杂等离子体波动激发和耗散规律提供了新的视角。本论文发表在本领域国际学术期刊上JGR: Space Physics上。

文章链接：Jiang, W., Li, H.*, Yang, Z., Verscharen, D., & Wang, C. (2025). Spatial dependence of ion‐kinetic instabilities in the Earth's magnetosheath: MMS observations. Journal of Geophysical Research: Space Physics, 130, e2024JA033463. https://doi.org/10.1029/ 2024JA033463

图一，磁层多尺度任务卫星（MMS1）观测到的Mirror-mode不稳定性和Oblique-firehose不稳定性事例（2017 年 1 月 25 日和 2017 年 10 月 6 日）。

图二，MMS卫星观测数据在温度各向异性（Rp）与平行等离子体 β 值（βp‖）参数平面和GSE-XY平面内的统计概率分布。

（供稿：天气室）