哈工大沈超教授团队在太阳系行星磁鞘射流领域取得重要合作研究成果

哈工大全媒体（刘培香 沈超/文）日前，我校深圳校区理学院沈超教授团队在太阳系行星磁鞘射流领域取得重要合作研究成果，发现外太阳系巨行星存在磁鞘射流。该发现增进了人类对磁鞘射流对行星磁场的潜在影响、太阳系空间等离子体激波特性、等离子体能量传输和转化过程等领域的认知，对空间天气事件预报具有重要应用价值。研究成果在《地球物理快报》（Geophysical Research Letters）和《自然通讯》（Nature Communications）上发表，并被选为《自然通讯》亮点文章。

磁鞘是行星磁层与太阳风相互作用产生的外边界层，磁鞘射流是其中动能远大于周边等离子体动能的等离子流体。大量的地球空间探测与分析表明，磁鞘射流是弓激波能量转化和传输的重要形式，能够对带电粒子的加速发挥作用。地球磁鞘射流能够驱动磁层顶边界层的磁场重联过程，促进太阳风物质和能量向磁层内部输运，影响地磁暴的发生和演化，对航天器运行以及空间通讯产生空间天气效应。研究地球磁鞘射流，对研究影响人造卫星运转和通讯的空间天气事件具有重要意义。近年来，学界在火星磁鞘发现了射流存在的证据，在水星磁鞘中也发现了一定证据支持射流的存在。然而，在其他行星磁鞘中是否存在射流仍是具有争议的问题。

沈超教授团队利用新近提出的空间多点探测方法——法向量场分析，对Cluster探测器数据进行了分析，发现了一种新的磁鞘射流产生机制：磁鞘射流能够产生于弓激波与太阳风间断面相互作用（图1），这种新的机制很大程度上提升了学界对射流产生的认识。这种新的机制不受激波准平行与准垂直的限制，能在所有行星弓激波上导致磁鞘射流的产生，这意味着射流在太阳系行星磁鞘中是普遍存在的。

图1 地球磁鞘高速流产生激波波纹和激波-间断相互作用机制模型

为了进一步验证新的机制及其推论，沈超教授团队与约翰斯·霍普金斯大学、北京大学的学者合作，对旅行者2号在木星磁鞘的观测数据进行了再度分析，发现了3个射流。其中一个射流向太阳方向运动（类似的射流尚未在任一行星发现，其来源有待进一步研究），另外两个射流向木星方向运动，其中后两个射流符合新机制的预期。团队将这些新发现的射流与过去在地球和火星发现的射流对比，发现其空间尺度随弓激波空间尺度变化。与此同时，团队还分析了卡西尼计划的数据，初步发现了土星磁鞘射流证据，将可能的土星射流与水星射流纳入对比，发现所有射流都符合随弓激波尺度变化的规律（图2），进一步证实了行星磁鞘射流在太阳系中的普遍性。此项研究是行星物理领域的重要研究进展，对于空间天气学具有重要应用意义。

图2 行星磁鞘射流持续时间（空间尺度）与相应行星弓激波尺度的关系

哈工大深圳校区为论文唯一通讯单位。哈工大深圳校区理学院博士研究生周宇飞是论文第一作者，沈超教授为通讯作者。约翰斯·霍普金斯大学应用物理学实验室萨瓦斯·拉普提斯博士，北京大学研究员王珊，深圳校区理学院博士后纪勇、博士研究生任年和马兰为合作作者。该项研究得到国家自然科学基金重点项目和国家重点研发计划“大科学装置前沿研究”重点专项的资助。

论文链接：

https://doi.org/10.1038/s41467-023-43942-4

https://doi.org/10.1029/2023GL103848