文章导读
水星磁层常被误认为是地球的缩小版，但强烈太阳风与微弱内禀磁场的极端组合，是否孕育了完全未知的空间电流机制？武汉大学袁志刚、黄狮勇团队基于MESSENGER探测器五年数据，首次重构出全球电流系统“全景图”，不仅确认了磁层顶与越尾电流，更意外发现此前从未在地球或其他行星观测到的极区环电流。这一突破如何解释过去关于东向与西向环电流的长期争议，并揭示水星独特的能量传输脉络？
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（通讯员姜奎）近日，武汉大学地球与空间科学技术学院教授袁志刚、黄狮勇团队联合国内外多家科研单位，基于MESSENGER探测器五年的磁场和等离子体观测数据，首次重构出水星磁层的全球电流系统，发现水星磁层中不仅存在类似地球磁层的磁层顶电流和越尾电流，还存在内、外赤道环电流，以及一个此前未被发现的极区环电流。相关成果发表于国际学术期刊《自然·通讯》（Nature Communications）。该研究表明，水星磁层并不是地球磁层的简单缩小版，而是一个受强太阳风、弱内禀磁场和稀薄外逸层共同控制的独特空间环境系统。
论文题为“Global current systems in the magnetosphere of Mercury”。武汉大学地球与空间科学技术学院2025届博士生林仁桐为论文第一作者（现为中国科学技术大学博士后），黄狮勇为通讯作者。袁志刚，美国密歇根大学教授James A. Slavin、副教授Jim M. Raines，法国科学研究中心等离子体物理实验室教授Fouad Sahraoui，美国约翰斯·霍普金斯大学应用物理实验室教授Brian J. Anderson，中国科学院地质与地球物理研究所研究员柴立晖等对该研究作出了重要贡献。
水星磁层全球电流系统示意图
水星是太阳系中最靠近太阳的行星。虽然它和地球一样拥有全球内禀磁场，但其磁场强度远弱于地球；同时，由于距离太阳很近，水星长期承受强烈太阳风冲击，其日侧磁层被高度压缩。在行星磁层中，电流系统就像一套“隐形电路”。它们连接不同空间区域，传递太阳风输入的能量和动量，并决定磁层如何变形、储能和释放能量。要理解水星磁层如何运转，首先要弄清这些电流在哪里、往哪里流、由什么驱动。以往的研究只给出水星磁层电流系的“局部拼图”，但完整的水星电流系图像仍然缺失。甚至一些给出了相反的结果，比如有研究认为水星磁层中存在西向环电流，但亦有研究认为存在东向环电流。
研究团队利用MESSENGER探测器2011年至2015年在水星轨道运行期间积累的长期观测数据，构建了水星磁层平均三维磁场图像，并进一步获得了水星磁层全球电流系统的“全景图”。研究首先识别出分布在水星日侧磁层边界附近的水星磁层顶电流，在水星夜侧横跨磁尾等离子体片的越尾电流，二者共同构成水星夜侧磁层的电流闭合环路。在水星内磁层中发现两个方向相反的赤道环电流：外赤道环电流和内赤道环电流，由水星磁层中的带电粒子压力分布不均形成指向和背离水星的梯度造成离子和电子会发生不同方向的漂移，从而形成环绕行星的不同方向的环电流。这一结果也解释了过去研究中的“矛盾”：此前观测到的东向环电流和西向环电流是同一套压力梯度驱动环电流系统中不同区域的表现。
水星磁层中的极区环电流
更为重要的发现是，水星北极高纬区域存在一个持续的极区环电流。它环绕水星北极附近流动，与赤道环电流在空间上明显分离。这种极区环电流此前并未在地球磁层或太阳系其他具有内禀偶极磁场的行星磁层中被明确观测到。研究认为，极区环电流可能与水星磁尖区的等离子体压力梯度有关。当太阳风粒子沿开放磁力线进入水星极区附近空间后，会在局地形成压力增强，从而驱动质子漂移并产生极区环向电流。
该研究首次从全球尺度描绘了水星磁层的“电流脉络”，不仅刷新了人类对水星空间环境的认识，也为比较地球、水星及其他行星磁层的差异提供了重要依据。
研究工作得到了国家自然科学基金重点项目和面上项目等项目的联合资助。
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