何飞等-NC：等离子体层顶外表波震动磁层和极光
太阳风和行星际磁场在驱动地球磁层能量耗散中扮演着决定性人物。当行星际磁场具有南向重量时，太阳风物质和能量就会进入地球磁层，在其间对流，并终究释放到电离层和高层大气中，发作艳丽多彩的极光现象。在磁层中传达的大部分电磁能量由超低频波（Ultra-low Frequency,ULF,0.1 mHz～10 Hz）带着，并能耦合不同的等离子体区域。ULF波在发作准周期性地磁脉动和加快辐射带高能离子方面具有及其重要的效果。现在广泛认可的ULF发作方法有两种：一种是外部太阳风扰动和磁层顶外表波，另一种是内部驱动，如夜侧磁层中的等离子体不稳定性。许多极光现象都与磁层中的ULF动摇相关，如亚暴胀大相开始、极光弧、极光强度动摇等。由磁层顶外表波激起的ULF波是向内传达的（指向地球），在磁暴期间能穿透到内磁层，但相反的进程能否发作现在仍不知道。
地球内磁层的首要部分是等离子体层，它是由绕地球共转的细密冷等离子体组成。等离子体层粒子密度随高度添加以对数趋势下降，在3–6 RE（1 RE=6378 km，为地球半径）处出现一个密度锐减的外鸿沟叫等离子体层顶(Plasmapause)。等离子体层顶将温度和密度特征明显不同的两种等离子体区别开来，内侧是低能高密度冷等离子体，外侧是高能低密度的热等离子体。等离子体层顶外的高能粒子（电子和离子）能够沿磁力线沉降到极区电离层，在地球南北极发作艳丽的极光。因为地球特别的偶极磁场，南北极的极光形状出现椭圆环带结构，一般也称为极光卵。在安静条件下，极光卵的赤道鸿沟一般是滑润的，对应于滑润的等离子体层顶和等离子体片内鸿沟。在磁暴主相期间，跟着磁层对流电场增强并穿透到内磁层，等离子体层外侧的共转流被剥蚀，构成峻峭的等离子体层顶。依据传统的磁流体动力学理论，Chen & Hasegawa在1974年就预言当外部压力脉冲效果在等离子体层顶外表时，会激起等离子体层顶的本征膜，发作外表波。可是，一向以来并没有直接的观测依据，等离子体层顶外表波（Plasmapause Surface Wave，PSW）对磁层动力学的影响也一向不清楚。
另一方面，尽管一般情况下极光卵的赤道鸿沟是滑润的，在磁暴期间也经常在磁地方时下午到夜间时段观测到极光卵赤道鸿沟的大幅动摇现象。尽管有许多等离子体不稳定性机制用来解说这些动摇，但因为缺少极光粒子沉降源区的共轭观测，现在对其成因一向没有结论。极光鸿沟和等离子体层顶在空间上处于相邻的磁通量管，两者的动摇或许存在物理联络。
中科院地质与地球物理研讨所地球与行星物理院要点实验室何飞副研讨员、尧中华副研讨员、魏勇研讨员、国家卫星气候中心张效信研讨员、北京大学濮祖荫教授、宗秋刚教授、山东大学史全岐教授等结合我国彻底自主知识产权的风云三号卫星广角极光成像仪极光图画、世界卫星遥感和就位勘探数据、以及地磁台站数据（触及9颗不同轨迹卫星和2个地磁台站体系），初次发现了PSW依据，证明了极光鸿沟动摇（命名为“锯齿极光（Sawtooth Aurora）”）是PSW的光学表象，而且初次发现PSW激起了向外传达的ULF波（如图1所示）。此项作业还发现PSW驱动的锯齿极光在磁暴期间的发作频率高于90%，标明这一物理进程是磁暴期间的常态，而且对磁层空间能量输运具有要害影响。
图1 等离子体层顶外表波和锯齿极光
风云三号卫星广角极光成像仪是现在低轨卫星上视场规模最大、空间分辨率最高的远紫外波段成像仪（Zhang et al., 2019），2017年12月发射成功后，在2018年各种等级磁暴期间都拍照到了很多明晰的锯齿极光图画（图2）。研讨团队进一步剖析了2014-2018年期间DMSP卫星极光图画，发现这期间一切Dst小于-40 nT的磁暴主相中，90%以上发作了锯齿极光。这标明磁暴主相期间，昏侧磁层内发作了常态化的、体系性的物理进程。
图2 风云三号卫星广角极光成像仪观测到锯齿极光
研讨团队进一步使用前期作业中树立的全球等离子体层顶动态模型（Heet al., 2017），依据锯齿极光数据库，主动查找和匹配磁层就位勘探卫星数据，在2017年7月16日磁暴主相期间，辐射带勘探卫星（VAP-A和VAP-B）穿越等离子体层顶进程中，初次发现了PSW依据（图3），具体核算发现PSW和锯齿极光在空间上共轭，锯齿波长、传达速度、传达方向共同，标明两者是彼此相关的物理现象。进一步研讨标明，PSW调制了等离子体层顶外的电子静电回旋谐波（ECH波），后者散射粒子沉降到极区，发作锯齿极光。相同时间段内，IMAGE地磁台链的共轭观测标明，地磁场发作了和PSW相同频率的ULF动摇，北向和笔直重量ULF波向高纬传达（相当于在磁层中从等离子体层顶向外传达），东西重量ULF则向西传达（图4）。这标明是PSW激起了向外传达的ULF波，而且在传达进程中还发作了磁力线共振。
图3 外表波（a、d-f、g-i）和相关的锯齿极光（b-c）观测依据
图4 地磁台链观测ULF传达（a、c-e）和磁力线共振（b）
该项作业的重要意义在于开始厘清了长期以来关于PSW和锯齿极光的疑问和争辩，发现了磁层内动摇能量激起和传达的新模式，更新了磁层物质和能量输运图画。外表波和ULF波的发作是空间环境中根本的等离子体进程，也广泛存在于其它行星空间环境。在等离子体层顶发现的这些物理进程也或许存在于其他行星磁层中（如木星和土星磁层），这为往后行星空间物理研讨作业供给了要害的方向辅导。
