磁层-等离子体层-电离层的能量耦合一直是空间物理和空间天气研究的核心问题之一。当太阳风的能量、质量和动量进入磁层，增强的磁层对流电场与地球共转电场的相互作用会极大地改变等离子体层顶的形态。关于等离子体层顶受激激发表面波的可能性早在1974年就被Chen and Hasegawa用磁流体力学理论预言，但直到前年才被何飞等通过多卫星联合观测证实(He et al., 2020)。因此，等离子体层顶表面波的观测难度严重制约了我们对于其激发机制和空间效应的理解。何飞等的研究表明锯齿状等离子体层顶表面波可以在电离层弥散极光的赤道向边界显现出蛛丝马迹，即锯齿极光。该研究还发现陡峭的等离子体层顶有利于激发等离子体层顶表面波，进而能将其特征沿磁力线映射到电离层弥散极光的赤道向边界形成锯齿状的极光边界，同时还会激发超低频波动携带电磁能量向外传播。但是，关于等离子体层顶形态如何调控等离子层顶表面波波长和振幅特征的问题还未知，而这对于理解等离子层顶表面波的激发机制十分重要。
为此，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研究生周一甲与导师何飞研究员、尧中华特聘研究员、魏勇研究员，以及国家卫星气象中心的张效信研究员和美国约翰霍普金斯大学张永良教授合作，利用前期工作建立的DMSP锯齿极光数据库，逐一匹配DMSP卫星电离层离子密度数据（图1），用于表征等离子体层顶形态。他们进一步利用多种磁场模型将锯齿极光波动特征和电离层离子最大密度梯度特征映射到赤道面上，呈现了锯齿极光源区附近等离子层顶表面波的振幅波长特征和等离子层体顶形态特征，并且定量阐述了锯齿极光振幅/波长与等离子体层顶厚度和密度梯度之间的紧密关系，也揭示出等离子层顶表面波与等离子层顶形态的可能关系（图2）：
（1）一般来说，当磁暴主相和早期恢复相期间等离子体层被剥蚀形成一个薄的、陡峭的等离子体层顶时，在外部注入能量激发下，形成锯齿极光；
（2）等离子体层顶的厚度和锯齿极光波长尺度相当，但小于锯齿极光的振幅；
（3）锯齿极光的振幅和波长与等离子体层顶的厚度成正比，与等离子体层顶的密度梯度成反比；
（4）锯齿极光径向中心位置大体与等离子体层顶表面位置一致并且在不同的地磁暴下它们的位置也保持正相关。因此，在锯齿极光发生期间，等离子体片的内边界也与等离子体层顶表面位置保持一致。
图1 锯齿极光与电离层离子密度梯度的同步探测
图2 映射到磁赤道面上的锯齿极光特征与等离子体层顶形态的关系. (a)锯齿极光的振幅 vs 等离子层顶的厚度; (b)锯齿极光的振幅 vs 等离子层顶的密度梯度; (c)锯齿极光的波长 vs 等离子层顶的厚度; (d)锯齿极光的波长 vs 等离子层顶的密度梯度; (e)锯齿极光中心的L shell vs 等离子层顶的L shell; (f)锯齿极光的波长 vs 锯齿极光的振幅
本项工作通过转换思维，利用锯齿极光参数表征等离子体层顶表面波参数，探讨了等离子层顶形态特征如何定量地控制和影响等离子层顶表面波，有力支撑和丰富了锯齿极光形成新机制(即磁暴期间等离子体层顶厚度变薄，密度梯度增大，暴时环电流注入在陡峭的等离子体层顶激发表面波，进而映射到电离层形成锯齿极光现象)。这将会为磁层-等离子体层-电离层能量耦合过程和等离子体层顶表面波的激发机制和沿等离子体层顶的角向传输特征提供新的物理视野和模型约束。
研究成果发表于国际学术期刊Geophysical Research Letters （周一甲，何飞*，尧中华， 魏勇， 张效信，Yong-Liang Zhang. Correlations between giant undulations and plasmapause configurations[J]. Geophysical Research Letters, 2022. DOI: 10.1029/2022GL098627）。研究得到科技部重点研发计划(2021YFA0718600)、国家自然科学基金项目(41931073)、中科院地质与地球物理研究所重点部署项目(IGGCAS-201904)和中科院青年创新促进会优秀会员(No. Y2021027)联合资助。