地球的極尖區(qū)（cusp）是一個漏斗形的特殊區(qū)域，是地球磁場與外太空相連接的關(guān)鍵通道。通過這個區(qū)域，太陽風(fēng)和磁鞘粒子能夠直接進入地球大氣層。極尖區(qū)在磁場和太陽風(fēng)的相互作用、物質(zhì)傳輸以及能量轉(zhuǎn)移等過程中起著重要作用，也與極光的形成和磁場重聯(lián)等現(xiàn)象和過程密切相關(guān)。因此，研究極尖區(qū)對理解行星磁場的動態(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，地球和木星的磁場結(jié)構(gòu)有很大不同。與地球?qū)ΨQ的磁場不同，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)和開放磁力線區(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比（圖1）。

由于之前對木星的探測任務(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，一直缺乏對木星極尖區(qū)的詳細研究。朱諾號（Juno）探測器的極軌軌道首次來到木星昏側(cè)附近，為觀測木星昏側(cè)高緯度的極尖區(qū)提供了寶貴的機會。

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

中國科學(xué)院地質(zhì)與地球物理研究所許嚴博士生，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別極尖區(qū)的方法和定義。根據(jù)地球極尖區(qū)的一個可行定義，簡單來說極尖區(qū)是高緯度磁層內(nèi)部充滿磁鞘等離子體的區(qū)域。因此，探測器在高緯度磁層頂內(nèi)部的位置是識別極尖區(qū)的重要依據(jù)。此外，磁鞘狀電子分布（10-100 eV的增強）和與磁層重聯(lián)相關(guān)的離子色散特征也是識別極尖區(qū)的關(guān)鍵。

該研究報道的一個典型案例中，朱諾號探測器位于木星高緯度（78-86°）的磁層頂內(nèi)部（圖2）。在頂部紅色條框內(nèi)，探測器探測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)。將探測器的磁坐標(biāo)信息與高精度模擬的磁層結(jié)構(gòu)進行對比分析，可以看出探測器位置位于極尖區(qū)相關(guān)的昏側(cè)開放磁力線區(qū)域（圖2），這表明觀測和模擬結(jié)果一致。木星極尖區(qū)的特殊位置分布（圖3）被認為與其快速旋轉(zhuǎn)的磁場結(jié)構(gòu)和木星距離太陽5 AU的特殊太陽風(fēng)條件有關(guān)。

圖2?木星極尖區(qū)的原位觀測證據(jù)之一和朱諾探測器的位置示意圖。(a-e)朱諾探測器觀測證據(jù)，從上到下依次為JSS坐標(biāo)系中的R-Theta-Phi磁場分量、總磁場強度、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撲結(jié)構(gòu)和昏側(cè)的開放場構(gòu)型以及朱諾探測器的位置

圖3 太陽視角下的木星昏側(cè)極尖區(qū)（紅色）示意圖

綜上，該研究首次詳細描述了木星尖點的特征，幫助我們進一步了解太陽風(fēng)如何與不同行星的磁場相互作用?；鑲?cè)極尖區(qū)觀測證據(jù)對太陽風(fēng)如何與快速旋轉(zhuǎn)的行星相互作用提供了見解，這對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。

研究成果發(fā)表于國際權(quán)威學(xué)術(shù)期刊Nature Communications（許嚴，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.）。研究受國家自然科學(xué)基金項目（42388101）資助。

編輯：劉強