郭瑞龍等-APJL：卡西尼號飛船揭示土星磁層內系統性小尺度磁重聯過程
地球磁層主要受到來自太陽的粒子及磁場的影響，太陽風驅動的磁重聯過程使得地球磁層內的物質與能量不斷循環並釋放進入行星際空間。類似的過程也存在於土星磁層，但與地球顯著不同的是，土星的天然衛星土衛二會向土星磁層內源源不斷地釋放水冰等物質，並最終電離形成O+及HO+等重離子，重離子隨土星磁層快速旋轉，被離心力限制在赤道面附近並向外延展，同時拉伸磁力線形成磁盤。土星磁盤動力學過程是土星磁層活動的重要參與者，這也是區別於地球的重要過程。土衛二作為內源能夠在不同時空尺度上引發土星磁層活動。因此，研究磁盤內粒子及能量循環過程對於理解土星的磁層環境至關重要。
在土星上，磁重聯也是驅動磁層中等離子體和能量傳輸的關鍵過程之一，同時是加速加熱帶電粒子的重要的物理過程。早期觀點認為土星磁盤上的磁重聯區域是大尺度的，能夠橫跨整個磁尾；源自土衛二的重離子基本上因為這一大尺度磁重聯過程從夜側逃逸出土星磁層。但是單獨的夜側大尺度磁重聯模型主導的逃逸率要小於源自土衛二的離子釋放率，無法平衡內部物質輸運過程。最近的研究表明，土星磁盤磁重聯可以出現在日側，並且尺度較小。日側磁重聯的存在提高了土星磁盤物質的逃逸率，但仍需要更具體的模型來理解土星磁層內的物質輸運過程。
中科院地質與地球物理所地球與行星物理院重點實驗室的郭瑞龍博士後及合作導師魏勇研究員與堯中華副研究員等人，在他們之前的土星轉動重聯研究基礎上，對土星磁盤磁重聯進行了深入研究，揭示出土星磁盤磁重聯結構可以隨土星旋轉，並且以小尺度為主。同時他們發現這些小尺度磁重聯結構能夠同時出現在各個地方而不侷限於日側及夜側（圖1），並持續很長時間。
圖1 土星小尺度磁重聯分佈示意圖。圖中水紅色、藍色及黑色曲線代表磁力線。所有磁力線連接到中間的土星上。左側藍色區域代表太陽風主導的區域，粉紅色區域為土星磁層內。水紅色磁力線上的紅色‘X’形代表磁重聯。磁重聯尺度較小，環向離散地分佈在土星磁層內，並且隨著土星一起旋轉
一直以來，地球以及土星上的磁重聯都被認為只在特定的區域內發展及演化。重複出現的磁重聯信號對應的是磁層隨時間演化導致的不同的磁重聯事件。但是在土星磁層內，磁盤在共轉電場的作用下會以一定速率繞土星旋轉。只有考慮旋轉效應，才能更深入地理解土星磁重聯活動。圖2展示了該研究工作中的一個典型事件。第一欄的箭頭標記出磁重聯發生的時刻，這些時刻都對應了電子的加速加熱現象，說明磁重聯正在進行。相鄰的磁重聯之間的時間間隔可以小於一個土星自轉週期（~10.5h），但是這些磁重聯事件總共持續的時間要長於一個土星自轉週期。對這類磁重聯簇現象的統計研究發現，各個磁重聯是獨立的，不是同一個磁重聯被重複觀測到。由於隨土星磁層旋轉，這些磁重聯不可能是單個非穩態磁重聯過程的不同演化階段，因為它無法在同一個地方時連續被觀測到。最終，通過謹慎地分析，研究表明：土星磁重聯是小尺度的，可以同時出現在各個地方並且隨著土星磁層一起旋轉。
圖2 小尺度磁重聯事件。（a）磁場的緯向分量Bθ；（b）高能電子通量；（c）熱電子能譜
研究結果揭示的新圖像是巨行星獨有的，不會出現在地球磁層。這一圖像將改變人們對土星磁層物質損失過程的認識：磁重聯同時在所有經度排出粒子從而增大物質損失率，同時，也可能解釋土星和木星磁層中其他旋轉現象，例如旋轉極光及旋轉的高能粒子團。
研究成果發表於The Astrophysical Journal Letters。（Guo R L*, Yao Z H, Sergis N, Wei Y, Xu X J, Coates A J, Delamere P A, Roussos E, Arridge C S, Waite J H, Krupp N, Mitchell D, Burch J, Dougherty M K, Wan W X. Long-standing small-scale reconnection processes at Saturn revealed by Cassini [J]. The Astrophysical Journal Letters, 2019, 884:L14. DOI: 10.3847/2041-8213/ab4429）
美編： 徐海潮
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