地球的極尖區(qū)（cusp）是一個(gè)漏斗形的特殊區(qū)域，是地球磁場(chǎng)與外太空相連接的關(guān)鍵通道。通過(guò)這個(gè)區(qū)域，太陽(yáng)風(fēng)和磁鞘粒子能夠直接進(jìn)入地球大氣層。極尖區(qū)在磁場(chǎng)和太陽(yáng)風(fēng)的相互作用、物質(zhì)傳輸以及能量轉(zhuǎn)移等過(guò)程中起著重要作用，也與極光的形成和磁場(chǎng)重聯(lián)等現(xiàn)象和過(guò)程密切相關(guān)。因此，研究極尖區(qū)對(duì)理解行星磁場(chǎng)的動(dòng)態(tài)變化至關(guān)重要。

最近的高精度模擬研究（Zhang et?al.，2021,SA；Chen et?al.，2023, GRL）表明，地球和木星的磁場(chǎng)結(jié)構(gòu)有很大不同。與地球?qū)ΨQ(chēng)的磁場(chǎng)不同，快速旋轉(zhuǎn)的木星在上午側(cè)的磁層比下午側(cè)更加膨脹，這使得木星的極尖區(qū)和開(kāi)放磁力線(xiàn)區(qū)域出現(xiàn)在黃昏一側(cè)，這與地球極尖區(qū)主要出現(xiàn)在中午附近的情況形成了鮮明對(duì)比（圖1）。

由于之前對(duì)木星的探測(cè)任務(wù)覆蓋范圍有限，木星極尖區(qū)的確切分布和特征尚不清楚，一直缺乏對(duì)木星極尖區(qū)的詳細(xì)研究。朱諾號(hào)（Juno）探測(cè)器的極軌軌道首次來(lái)到木星昏側(cè)附近，為觀(guān)測(cè)木星昏側(cè)高緯度的極尖區(qū)提供了寶貴的機(jī)會(huì)。

圖1 高分辨率模擬下地球的對(duì)稱(chēng)磁力線(xiàn)構(gòu)型與快速旋轉(zhuǎn)木星的不對(duì)稱(chēng)構(gòu)型（修改自Chen et al.，2023）

中國(guó)科學(xué)院地質(zhì)與地球物理研究所許嚴(yán)博士生，與導(dǎo)師堯中華特聘研究員等，在該研究中采用了地球已建立完善的常用識(shí)別極尖區(qū)的方法和定義。根據(jù)地球極尖區(qū)的一個(gè)可行定義，簡(jiǎn)單來(lái)說(shuō)極尖區(qū)是高緯度磁層內(nèi)部充滿(mǎn)磁鞘等離子體的區(qū)域。因此，探測(cè)器在高緯度磁層頂內(nèi)部的位置是識(shí)別極尖區(qū)的重要依據(jù)。此外，磁鞘狀電子分布（10-100 eV的增強(qiáng)）和與磁層重聯(lián)相關(guān)的離子色散特征也是識(shí)別極尖區(qū)的關(guān)鍵。

該研究報(bào)道的一個(gè)典型案例中，朱諾號(hào)探測(cè)器位于木星高緯度（78-86°）的磁層頂內(nèi)部（圖2）。在頂部紅色條框內(nèi)，探測(cè)器探測(cè)到了磁鞘狀電子和離子色散特征（以及等離子體波），這些特征與地球和土星的極尖區(qū)一致，因此該區(qū)域被確定為木星的極尖區(qū)。將探測(cè)器的磁坐標(biāo)信息與高精度模擬的磁層結(jié)構(gòu)進(jìn)行對(duì)比分析，可以看出探測(cè)器位置位于極尖區(qū)相關(guān)的昏側(cè)開(kāi)放磁力線(xiàn)區(qū)域（圖2），這表明觀(guān)測(cè)和模擬結(jié)果一致。木星極尖區(qū)的特殊位置分布（圖3）被認(rèn)為與其快速旋轉(zhuǎn)的磁場(chǎng)結(jié)構(gòu)和木星距離太陽(yáng)5 AU的特殊太陽(yáng)風(fēng)條件有關(guān)。

圖2?木星極尖區(qū)的原位觀(guān)測(cè)證據(jù)之一和朱諾探測(cè)器的位置示意圖。(a-e)朱諾探測(cè)器觀(guān)測(cè)證據(jù)，從上到下依次為JSS坐標(biāo)系中的R-Theta-Phi磁場(chǎng)分量、總磁場(chǎng)強(qiáng)度、電子能譜數(shù)據(jù)、質(zhì)子能譜數(shù)據(jù)和等離子體波數(shù)據(jù)；(f) 高精度模擬下木星的全球磁層拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)和昏側(cè)的開(kāi)放場(chǎng)構(gòu)型以及朱諾探測(cè)器的位置

圖3 太陽(yáng)視角下的木星昏側(cè)極尖區(qū)（紅色）示意圖

綜上，該研究首次詳細(xì)描述了木星尖點(diǎn)的特征，幫助我們進(jìn)一步了解太陽(yáng)風(fēng)如何與不同行星的磁場(chǎng)相互作用?；鑲?cè)極尖區(qū)觀(guān)測(cè)證據(jù)對(duì)太陽(yáng)風(fēng)如何與快速旋轉(zhuǎn)的行星相互作用提供了見(jiàn)解，這對(duì)于理解空間天氣及其如何恒星和行星相互耦合作用有著重要推進(jìn)。

研究成果發(fā)表于國(guó)際權(quán)威學(xué)術(shù)期刊Nature Communications（許嚴(yán)，Chris Arridge，堯中華*，張彬錚，Licia Ray，Sarah Badman，William Dunn，Robert Ebert，陳俊杰，F(xiàn)rederic Allegrini，William Kurth，秦天澍，Jack Connerney，David McComas，Scott Bolton，魏勇. In situ evidence of the magnetospheric cusp of Jupiter from Juno spacecraft measurements[J].Nature Communications,?2024, 15(1): 6062. DOI:10.1038/s41467-024-50449-z.）。研究受?chē)?guó)家自然科學(xué)基金項(xiàng)目（42388101）資助。

編輯：劉強(qiáng)