週一甲等-GRL：地磁暴期間的鋸齒極光的統計特性
太陽風攜帶質量、能量和動量進入地球空間時，需要先後經過磁層頂和等離子層頂兩個邊界，關於磁層頂的研究已經十分詳細，對於等離子層頂，由於衛星高度的限制，研究相對較少。等離子體層頂是冷熱等離子體的交介面，其外部被動態的環電流所包裹，存在一系列不穩定的特徵。根據磁場模型，環電流會沿磁力線對映到電離層，形成特殊的彌散極光，透過探究這類特殊形態的極光，就可以間接研究等離子層頂。
鋸齒極光（巨型波動）就是這類極光的代表之一。鋸齒極光於1982年被Lui等首次發現，是磁暴期間的一種常態現象，在磁層-等離子層-電離層的能量耦合方面起著重要作用，其振幅和波長分別為40-400km和200-900km，它們向日側移動時的速度約為每秒幾百米，數值模擬顯示，鋸齒極光可能是由亞極光極化流驅動的剪下不穩定性導致。何飛等（2020）在Nature Communications的研究表明，當環電流週期性注入擠壓陡峭的等離子層頂時，能夠形成等離子層頂表面波（PSW），散射高能粒子發生沉降從而產生鋸齒極光，但是，研究展示了鋸齒極光的大體形成過程和與之相伴的一系列特徵，尚未詳細解釋鋸齒極光的物理驅動機制，如鋸齒極光的演化模式和普遍特徵是什麼，觸發和控制PSW產生和演化的因素有哪些？
中國科學院地質與地球物理研究所博士研究生週一甲、導師何飛研究員，與魏勇研究員、堯中華特聘研究員以及國家衛星氣象中心的張效信研究員等合作，利用DMSP衛星長期的極光觀測資料，從統計學角度探究了鋸齒極光在磁暴期間的大體特徵，得出了3個主要結論：
（1）鋸齒極光通常出現在磁暴主相開始後1-4小時，結束於磁暴峰值附近的±4小時範圍內（圖1）；
（2）鋸齒極光的波長和振幅與磁暴強度近似成正相關，且波長和振幅也呈正相關（圖2）；
（3）鋸齒極光的夜側邊緣在其演化過程中基本保持似穩定狀態（圖1）。
鋸齒極光的活動性代表了磁暴期間內磁層最重要的兩個邊界——等離子體層頂和等離子體片內邊界附近發生的複雜的物質和能量轉移轉化過程。研究發現鋸齒極光的夜側邊緣在演化過程中基本保持穩定位置，表明激發波源處於基本固定的位置，其蘊含的物理機制有待進一步透過磁層-等離子體層-電離層耦合模型來揭示，這對於進一步完善內磁層空間天氣模型具有重要意義。
圖1 巨型波動發生的時間和空間統計圖
圖2 巨型波動特徵與磁暴強度的擬合圖
研究成果發表於國際權威學術期刊Geophysical Research Letters（週一甲，何飛*，張效信，堯中華, 魏勇, 張永良. Statistical characteristics of giantundulations during geomagnetic storms[J]. Geophysical Research Letters, 2021,48: e2021GL093098. DOI:10.1029/2021GL093098）。本研究得到國家自然科學基金專案（41931073, 41774152）、中科院A類先導專項專案（鴻鵠專項，XDA17010201）和中科院地質與地球物理研究所重點部署專案（IGGCAS-201904）等專案的資助。
