科研動態(tài)丨空間中心科研人員在磁層對流及其地磁響應研究方面取得新進展

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近日，中國科學院國家空間科學中心（以下簡稱“空間中心”）太陽活動與空間天氣全國重點實驗室在磁層對流及其對應地磁指數(shù)響應機制方面取得重要研究進展。該成果由王赤院士團隊博士研究生王旭、戴磊研究員等人完成，基于范艾倫輻射帶探測器（Van Allen Probes）對磁層對流電場的直接觀測，首次從統(tǒng)計上證實了在高速太陽風條件下，磁層對流電場對地磁活動指數(shù)（Kp、AU、Dst）的決定性作用。相關成果已發(fā)表在國際期刊 Space Weather 上。

磁層對流是太陽風能量向地球空間傳輸?shù)年P鍵通道，其強度與結(jié)構(gòu)直接決定著空間電流體系的演化，進而影響地磁指數(shù)的變化。前人研究已提出磁層對流影響地磁擾動的可能機制，但對其定量關系、關鍵閾值及非線性響應特征尚缺乏系統(tǒng)刻畫。

該項研究主要取得以下發(fā)現(xiàn)：

• 對流電場增強與穿透： 在 L=3–5.5 范圍內(nèi)，磁層對流電場（Ey,RMS）強度隨太陽風速和南向行星際磁場（IMF Bz）的增強而增加；同時，電場的穿透深度也隨之加深。當太陽風速超過 550 km/s 時，對流電場可深入至 L≈3 區(qū)域。

• 地磁指數(shù)的非線性響應特征： 統(tǒng)計結(jié)果顯示，當 Ey,RMS < 1.0 mV/m 時，Kp、AU、Dst 等地磁指數(shù)與對流電場強度呈近似線性關系；而超過此閾值后，指數(shù)響應趨于飽和，表現(xiàn)出明顯的非線性增長特征。這一發(fā)現(xiàn)提示磁層對流對地磁擾動的驅(qū)動能力具有一定極限。

• 地磁指數(shù)間的定量關系： 研究進一步揭示，AU 指數(shù)與 Kp 指數(shù)近似線性相關，而 Kp 與 Dst 指數(shù)呈對數(shù)關系，反映出不同地磁擾動指標對磁層動力學響應的差異性。
  

研究明確提出了Ey,RMS≈1.0 mV/m作為地磁響應非線性增強的臨界閾值，并系統(tǒng)建立了太陽風高速流背景下磁層對流電場深入內(nèi)磁層的判據(jù)條件（Vsw>550 km/s）。這些成果不僅加深了對磁層對流與地磁擾動之間耦合機制的理解，也為提升空間天氣預報模型的物理基礎與預測能力提供了關鍵觀測依據(jù)。

該項研究工作得到了國家自然科學基金、國家重點實驗室專項研究基金、中國科學院戰(zhàn)略性先導科技專項（二期）的大力支持。

論文鏈接：

https://doi.org/10.1029/2025SW004548

Citation:

Wang,X.,Dai,L.,Wang,T.,Ren,Y.,Zhu,M.,Yang,X.,et al. (2025). Inner magnetospheric convection electric fields and corresponding geomagnetic indices during high‐speed solar wind streams. Space Weather,23,e2025SW004548. https://doi.org/10.1029/2025SW004548

圖一 高速流期間地磁指數(shù)（AU，Kp，Dst）與對流電場Ey,RMS之間的關系。(a1)-(c1)展示 L=3.0-4.0處AU，Kp，Dst與Ey,RMS之間的關系；(a2)-(c2)展示 L=4.5-5.5處AU，Kp，Dst與Ey,RMS之間的關系。色標表示每個分箱內(nèi)數(shù)據(jù)點數(shù)。

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