钟俊等-JGR：发现强行星际磁场驱动水星磁尾磁重联特征

磁场重联是等离子体物理中普遍存在的一种将磁自由能快速地转化为等离子体动能和热能的基本物理过程，也是太阳风向行星空间传输物质和能量的重要机制。水星是距离太阳最近也是最小的一颗行星，拥有和地球类似的内禀磁场。尽管水星磁场强度只有不到地球磁场的百分之一，但仍能把太阳风阻挡在水星表面以上，形成类似地球的磁层结构。太阳风磁场通量通过向阳侧磁层顶磁重联被传输进入磁层；磁尾磁重联将磁能进行释放，其中一部分通过对流回到向阳侧磁层，形成空间等离子体大尺度对流循环，从而控制行星空间与行星际物质和能量的交换运输。普遍认为，发生在水星空间的磁重联比地球更加高效，太阳风更容易通过磁重联控制水星空间环境。然而，缺少对磁重联区的直接观测，磁重联在水星空间发生的规律仍不明确。

中科院地质与地球物理研究所钟俊副研究员及合作者，利用美国“信使”号卫星数据，对水星磁尾磁重联区的观测进行了鉴别和统计，发现了磁重联在水星磁尾空间存在明显的晨昏不对称性。在昏侧，磁重联发生的概率大；而在晨侧，磁重联发生距离水星更近，甚至可以发生于距离星体表面2000公里高度，重联区内产生磁通量绳的效率也更高（图１）。此外，应用Kan-Lee太阳风-磁层耦合函数验证发现，这些近磁尾重联事件的发生与强行星际磁场驱动存在明显的相关性（图2）。

图1 “信使”号探测水星磁尾磁重联事件统计结果。（a）磁重联事件在磁层坐标系下空间分布；（b）重联区产生磁通量绳的效率在磁地方时的分布。蓝色、红色和绿色表示卫星穿越重联区的不同位置：行星侧，中心区域和尾侧；蓝色（红色）表征重联位置距离星体较远（较近）

图2 Kan-Lee太阳风-磁层耦合函数验证结果。(a)行星际磁场强度；（b）日侧磁层顶外的磁场BY和BZ；(c)统计卫星轨道数(上)和磁重联发生率(下)与Kan-Lee太阳风-磁层耦合函数关系。背景灰点显示所有轨道数据；青色星形表示行星际磁场强度的平均值

由于水星没有类似地球的电离层和明显的大气层，磁尾磁重联产生的高能粒子可以沿着磁力线向行星侧运动，直接撞击夜侧星体表面；通过离子溅射、电荷交换等物理化学反应过程，从而改变风化层的物理化学特性、外逸层环境、乃至整个行星空间环境的变化。基于观测结果，作者进一步推测，水星磁尾磁重联会导致夜侧磁层-行星相互作用的晨昏不对称性，并可能显著影响近水星空间等离子体环境（图3）。

图3 水星夜侧磁层与星体相互作用晨昏不对称性示意图

研究成果发表于国际学术期刊JGR: Space Physics （钟俊, 李罗权, J.A.Slavin, 张辉, 魏勇. MESSENGER observations of reconnection in Mercury's magnetotail under strong IMF forcing[J]. Journal of Geophysical Research: Space Physics, 2023, 128: e2022JA031134. DOI: 10.1029/2022JA031134）。