地球磁层顶和等离子体层顶是太阳风-磁层-电离层耦合系统的关键外边界和内边界区域(图1)。等离子体层顶动力学是辐射带、环电流和等离子体层之间耦合的一个重要指标。它对地磁活动反应灵敏，与极光特征相关，并通过波粒相互作用影响环电流和辐射带的高能粒子沉降。基于磁流体动力学理论，Chen and Hasegawa（1974）提出作用于磁层顶和等离子体层顶的压力脉冲可以激发这些根植于共轭电离层的有限边界层表面上的离散频率本征模式。然而，短时间尺度脉冲驱动经常会导致超低频波模式的复杂叠加，因此阻碍了后续的发展。通过星载和地面联合仪器，直到最近几年才捕捉到直接、确凿的观测证据表明磁层顶表面特征模态(MSE)和等离子体层顶表面波(PSW)存在。
图1 太阳风、内磁层和电离层耦合中的超低频波(摘自Usanova and Shprits，2016)
然而，关于PSW的激发、演化、频率选择、空间天气效应和波粒相互作用，许多关键问题仍然尚未明确。先前的研究表明，起源于日侧磁层顶的峰值频率为1-2 mHz的MSE可以沿着磁层顶表面自然地向磁尾传输，可能提供种子波动，尽管没有发生在开尔文-亥姆霍兹不稳定性的主要增长频率，这些波动随后也会通过晨昏侧的开尔文-亥姆霍兹不稳定性增长、合并和耗散。然而，在等离子体层顶上，无论是通过原位观测还是数值模拟，PSW的空间演化模式都未得到解决。
针对这一问题，中国科学院地质与地球物理研究所地球与行星物理院重点实验室博士生周一甲在导师何飞研究员指导下，联合尧中华特聘研究员、戎昭金研究员、魏勇研究员，国家卫星气象中心的张效信研究员、以及英国帝国理工大学的Martin Archer教授、德国马克-普朗克太阳系统研究所Y. X. Hao博士，对一次中等地磁暴期间PSW的空间演变特征进行了综合分析(图2)。这项研究巧妙地利用了在等离子体层顶的六颗卫星观测数据(图3)。通过对波和粒子特征的研究，准确地识别了驱动PSW的源，并首次确定了PSW呈现种子区-增长区-稳定区-衰减区四个阶段的空间演化模式(图4)。
图2 2017年7月16日太阳风参数和卫星轨迹
文章主要结论总结如下：
（1）能量在0.1-10 keV之间的高能质子和氧离子周期性注入能够作用于陡峭的等离子体层顶边界，导致PSW的激发。这一观点被质子和氧离子能通量的准周期同步扰动、AE指数的多重峰值以及近磁尾扰动的极向波的同时观测所证实。虽然之前的研究表明，在亚暴期间，PSW可能会被高能粒子注入所激发，但是该研究通过同时监测磁尾条件和黄昏侧PSW进一步识别了造成这种现象的粒子种类。
（2）PSW的“种子区”的特点是角向磁场成分微弱的种子扰动，伴随着等离子体层顶上强烈的挤压特征。这可能与前人的日侧低纬边界层处的挤压或横向磁场波动很可能作为激发晨昏侧磁层顶上开尔文-亥姆霍兹波的种子扰动的理论相一致，尽管它们的传播方向相反。
（3）PSW的“增长区”的特点是主导的极向驻波成分和高能电子能通量的周期性调制，以及冷电子密度的不规则微弱扰动和重的高能离子的无扰动。在“稳定区”，充分发展的PSW表现为最显著的极向波和挤压极向波以及中等强度的共转波相耦合的混合波，其各个成分都表现出驻模特征。这种PSW可以周期性地调节高能电子、等离子体层冷电子密度和重的高能质子、氧甚至氦离子。通过比较，可以得出PSW强大的挤压极向(极向)驻波对周期性调节冷电子密度和各种离子能通量(高能电子能通量)至关重要。
（4）“衰减区”的PSW以复合波的形式呈现，由共转波和不稳定极向波共同主导，辅以局部挤压特征，在等离子体层顶上留下零星的扰动，但这种扰动在高能电子、冷等离子体层电子和重的高能离子中仍然可见。PSW的稀疏化在很大程度上可归因于下午侧等离子体层顶附近的高能环电流离子压力的降低，正如零星的挤压磁场分量和增加的共转磁场分量所表明的那样。
图3 由六颗卫星测量的PSW四阶段演化的时间序列数据的概述
图4 PSW四阶段演化的磁场和速度场扰动的波模特征
研究成果发表于国际学术期刊GRL(周一甲，何飞*，Martin O. Archer，张效信，Y. X. Hao，尧中华，戎昭金，魏勇. Spatial Evolution Characteristics of Plasmapause Surface Wave during a Geomagnetic Storm on July, 16,2017 [J]. Geophysical Research Letters, 2024. DOI:10.1029/2024GL109371)。研究得到国家自然科学基金项目(42222408,41931073)、中国科技部重点研发计划(2021YFA0718600)、中科院青促进(Y2021027) 和UKRI (STFC/EPSRC) Stephen Hawking Fellowship (EP/T01735X/1)的联合资助。