科研動態丨空間中心科研人員在磁層頂重聯磁剪切和流剪切效應研究取得新進展

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地球磁層頂磁場重聯是太陽風物質能量進入地球空間的重要方式，也是地球磁層大尺度對流的主要驅動。以往觀測表明，地球磁層頂磁場重聯在空間尺度上可以延伸至數個地球半徑，甚至超過十個地球半徑。由于太陽風的繞流作用，重聯在不同區域的磁場和流場參數會有極大的差異，從而會使磁層頂重聯在不同區域存在顯著不同的磁剪切和流剪切差異。這意味著真實的磁層頂重聯與理想重聯可能存在較大不同。已有研究表明，這兩種剪切效應對重聯的影響有相似的特征，均會（1）引起重聯點的漂移運動，（2）降低重聯等離子體的出流速度。然而這兩種效應對重聯影響程度的對比依然缺乏研究。

中國科學院國家空間科學中心太陽活動與空間天氣全國重點實驗室的研究團隊聯合中國科學技術大學等，利用磁層多尺度任務衛星（Magnetospheric Multiscale, MMS）與亞暴中事件的時間歷程與宏觀尺度相互作用任務衛星（Time History of Events and Macroscale Interactions During Substorms, THEMIS）在磁層頂大尺度范圍內不同區域的多點同時觀測數據，從2015年至2023年的觀測中篩選出兩個典型事件，分別覆蓋了磁層頂的典型區域，包括日下點、側翼和高緯地區。通過觀測中磁層頂重聯的上游參數，分析并對比了磁剪切與流剪切效應。結果如圖1所示，在兩個觀測事例中，考慮磁剪切或流剪切的影響后，理論預測的重聯出流速度均與觀測速度更加接近。對比結果顯示，磁剪切在觀測中對重聯出流速度的影響相對較弱，而流剪切在高緯磁層頂可以通過產生較大的重聯點漂移速度來影響觀測中的重聯出流速度。

圖1. 在不同條件下預測的重聯出流速度柱狀圖。三個柱狀條從左到右分別表示：未考慮磁剪切與流剪切時的預測結果，僅考慮磁剪切時的結果，以及僅考慮流剪切時的結果。紅色區域表示磁剪切或流剪切對重聯出流速度的減弱作用，藍色斜條紋區域表示磁剪切或流剪切引起重聯點的漂移速度大小。

而在實際過程中，磁剪切與流剪切通常共同作用于磁場重聯，然而目前尚缺乏關于其綜合影響機制的研究。為探討該問題，作者假設重聯點的漂移速度為磁剪切與流剪切效應的線性疊加，并據此得到兩種剪切共同作用下對重聯出流速度的影響表達式。該表達式顯示磁剪切與流剪切對重聯的影響是彼此獨立的，與前述假設相一致。將觀測中獲得的參數代入該表達式，得到在上述假設條件下磁剪切與流剪切共同作用時重聯出流速度變化圖（如圖2所示）。結果說明：在磁層頂的環境參數下，磁剪切更可能導致重聯出流速度的降低與重聯的抑制，流剪切的影響則體現在對重聯點漂移速度的主導作用。

圖2. 磁剪切與流剪切共同作用時對重聯出流速度影響（基于重聯點漂移速度為兩種剪切效應疊加的假設）。

該項工作加深了我們對磁層頂重聯在大尺度空間區域內受磁剪切與流剪切影響程度及其相對強弱的認識，同時探討了實際過程中兩種剪切效應對重聯出流速度綜合影響的物理關系與圖像，為今后研究這兩種剪切的綜合影響提供了參考和基礎。該項工作以“Effects of Magnetic Shear and Flow Shear on Magnetopause Magnetic Reconnection: Simultaneous Observations From MMS and THEMIS”為題發表在JGR: Space Physics上，論文第一作者為實驗室張重樂博士研究生，通訊作者為唐斌斌研究員和李文亞研究員。該項工作得到了國家自然科學基金的資助。

論文鏈接:

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

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