空间中心科研人员揭示木星磁鞘侧翼磁场湍流谱的径向演化特征

磁鞘作为太阳风与行星磁层相互作用的关键区域，就像是地球的"太空护城河"，其内部的等离子体处于高度湍动的状态。磁鞘湍流在太阳风-磁层耦合中发挥着重要作用，对磁鞘内离子加热和磁层动力学过程有着重要的影响。对地球磁鞘湍流的研究表明，在磁流体动力学（MHD)尺度，其谱指数在磁鞘不同区域呈现出不同的观测特征，存在着空间演化。同时，磁鞘中丰富的波动与结构（如离子回旋波、镜像模结构等）也能够对磁鞘湍流及其演化产生影响。然而，受限于地球磁鞘的尺寸，湍流的演化可能不够充分。木星拥有太阳系中最大的磁鞘，其尺寸是地球磁鞘的数十倍，并且独特的磁场与等离子体条件（非常大的等离子体𝛽范围）为研究湍流演化提供了天然的"太空实验室"。2016-2023年间，朱诺（Juno）卫星在木星的晨昏两翼对磁鞘进行了18次穿越，其高精度数据为我们研究木星磁鞘湍流的性质与演化提供了宝贵机会。

近日，中国科学院国家空间科学中心太阳活动与空间天气全国重点实验室王赤院士团队的李晖研究员和杨忠炜研究员指导硕士生李浩宇，基于Juno卫星数据分析了木星磁鞘侧翼MHD尺度的磁场湍流功率谱的径向演化特征（图1）及木星磁鞘内的波动对湍流功率谱的影响（图2），发现：（1）在晨侧，磁场湍流谱指数从弓激波到磁层顶逐渐减小，呈现出与地球磁鞘类似的演化趋势；（2）在昏侧，湍流谱指数从弓激波到磁层顶先增大再减小，显示出明显的晨昏不对称性；（3）对磁场波动的分析表明，在木星磁鞘中观测到的磁场准周期性变化具有高压缩性(magnetic compressibility C||)、准垂直传播和线性偏振的特性，这与镜像模结构的特征一致；（4）统计结果表明，镜像模同样存在晨昏不对称性，且其发生率与湍流谱指数的增大存在相关性，这表明镜像模结构能够对磁鞘湍流特性产生影响。

该项研究首次系统揭示了木星磁鞘侧翼磁场湍流谱的径向演化特征及镜像模对湍流谱的调制作用，为理解磁鞘区湍流特性及鞘区波动与结构的相互作用提供了新的认识。木星磁鞘的大尺度环境为研究湍流演化提供了理想平台，该研究结果对比较行星空间环境中的湍流行为具有重要参考价值。研究结果发表在本领域国际学术期刊The Astrophysical Journal上。

文章链接：Li, Hui, Li, Haoyu, Yang, Z., Wang, C., 2025. Radial Evolution of Turbulence Spectra on the Jovian Magnetosheath Flanks: Juno Observations. ApJ 991, 214. https://doi.org/10.3847/1538-4357/adfed0

图1 木星磁鞘侧翼湍流和波动特征的径向演化特性。(a)到(d)分别代表湍流谱指数、磁场压缩性、椭度和法向角，红色和蓝色分别表示晨侧和昏侧的结果。黄色高亮区域为晨昏差异最大的区域。

图2 椭度与湍流谱指数和磁场压缩性的分布关系。(a)和(b)分别代表在磁鞘中部和边界区域（弓激波和磁层顶附近）椭度与湍流谱指数的分布；类似的，(c)和(d)分别代表在磁鞘中部和边界区域椭度与磁场压缩性的分布。

（供稿：天气室）