黃獅勇

1 武漢大學電子信息學院 空間物理系，武漢 430072

2 湖北珞珈實驗室，武漢 430079

0 引言

超阿爾芬速、超磁聲速的太陽風在遭遇地球磁層時會在距離磁層頂10 個地球半徑左右的位置形成弓激波，弓激波的上游被稱為激波前兆區(qū)，而弓激波下游以磁層頂為邊界的區(qū)域則被稱為磁鞘.磁鞘等離子體流是經(jīng)弓激波減速和加熱后的太陽風，它的速度為亞阿爾芬速.磁鞘等離子體特性與弓激波位形相關(guān)，而前者性質(zhì)強烈依賴于行星際磁場和局地激波法向的夾角θBn.一般將θBn＜45°時的準平行激波下游稱作準平行磁鞘，類似地把θBn＞45°時的準垂直激波下游稱作準垂直磁鞘.圖1 展示了準平行和準垂直磁鞘的空間位置.通常情況下，準平行磁鞘中的等離子體和電磁場相比，準垂直磁鞘更加湍動，即擾動幅度更大.

圖1 準平行和準垂直磁鞘的空間位置分布Fig.1 The spatial position distributions of quasi-parallel magnetosheath and quasi-perpendicular magnetosheath

對地球磁鞘最早的原位探測來自于1958 年發(fā)射的先驅(qū)者（Pioneer）1 號（Sonett and Abrams,1963）.隨后，由于航天技術(shù)和計算機技術(shù)的進步，越來越多高精度的原位測量數(shù)據(jù)和數(shù)值模擬讓我們對地球磁鞘有了更加全面的了解.例如，Nabert 等（2013）利用全球MHD 模擬獲得了赤道面內(nèi)磁鞘等離子體流速和密度的空間分布，他們的模擬結(jié)果表明：磁鞘等離子體流在弓激波日下點向兩翼流動，等離子體密度從弓激波日下點到磁層頂逐漸減小.該模擬結(jié)果得到了觀測證實，例如Dimmock 和Nykyri（2013）利用THEMIS 衛(wèi)星5 年測量數(shù)據(jù)得到了與模擬結(jié)果類似的等離子體參數(shù)統(tǒng)計分布特征，他們的觀測結(jié)果還表明磁鞘等離子體參數(shù)分布具有一定的軸向不對稱性.Omidi 等（2014）利用全球混合模擬發(fā)現(xiàn)準平行磁鞘的密度擾動相比準垂直磁鞘更大，并且磁鞘的等離子體特性還與太陽風馬赫數(shù)相關(guān).圖2 展示了MMS 衛(wèi)星穿越弓激波之后依次進入準垂直磁鞘和準平行磁鞘的觀測實例，可以看到磁鞘中磁場強度、質(zhì)子密度以及質(zhì)子溫度相比太陽風增大，而流速減小，并且可以明顯看出準平行磁鞘的電磁場和等離子體特征參數(shù)擾動相比準垂直磁鞘更大.

圖2 MMS 衛(wèi)星在2015 年10 月25 日穿越弓激波之后依次進入準垂直磁鞘和準平行磁鞘觀測到的磁鞘等離子體和磁場特征.從上到下，依次是離子的能通量、磁場大小、離子速度大小和離子數(shù)密度.藍色虛線表示弓激波的位置，上方黑色和紅色條帶分別表示準垂直磁鞘和準平行磁鞘的位置（修改自Huang et al.,2016）Fig.2 Characteristics of plasma and magnetic field observed on 25 October 2015.During this interval,MMS encountered successively the quasi-perpendicular and quasi-parallel magnetosheath after crossing the bow shock.The four panels show(from top to bottom) the ion differential energy flux,the magnitude of magnetic field,the magnitude of ion velocity and the ion number density.The blue dashed line marks the position of bow shock.The bars on the top mark the two regions of quasiperpendicular magnetosheath and quasi-parallel magnetosheath (modified from Huang et al.,2016)

地球磁鞘是研究等離子體動力學的天然實驗室.具體來說，由于磁鞘中等離子體在磁層頂?shù)亩逊e并且受到磁場線的拖曳作用，磁鞘中存在明顯的離子垂直溫度各向異性（即離子垂直溫度大于平行溫度）和離子束等，這會引起許多等離子體不穩(wěn)定性，進而產(chǎn)生多種類型的波動和結(jié)構(gòu)（Breuillard et al.,2018; Zhao et al.,2019a）.同時，行星際磁場的變化也會導致磁鞘中等離子體特性的變化，進而引起等離子體不穩(wěn)定性的產(chǎn)生（Yasuhito et al.,2021).除此之外，磁鞘中的強剪切流也對等離子體不穩(wěn)定性有一定影響（Zhao et al.,2019b）.由于磁鞘等離子體的湍動特性，磁鞘也是研究湍流和非線性過程的一個絕佳場所.比如，由于磁鞘中很多結(jié)構(gòu)，例如電流片、磁島和渦旋等，也可能是湍流串級的表現(xiàn)，因此對這些結(jié)構(gòu)的研究可以促進對湍流能量轉(zhuǎn)換、粒子加速/加熱的理解（Chasapis et al.,2015）.此外，對磁鞘湍流的研究可以被用來檢驗太陽風湍流模型.最后，磁鞘湍流受到弓激波和磁層頂這兩個邊界的影響（Sahraoui et al.,2006; Yordanova et al.,2008），使得磁鞘湍流表現(xiàn)出與太陽風湍流一些不同的特性，因此磁鞘湍流的研究也可以看作是太陽風湍流研究的一個重要補充.近年來，得益于Cluster 和MMS 衛(wèi)星高精度的測量數(shù)據(jù)，對于磁鞘中的動力學過程的研究也越來越多.本文主要回顧國內(nèi)學者利用Cluster 和MMS 數(shù)據(jù)研究磁鞘中的結(jié)構(gòu)、波動和湍流所取得的最新進展，最后提出了一些地球磁鞘研究中尚未解決的問題和未來可以研究的方向.

1 地球磁鞘中的結(jié)構(gòu)

地球磁鞘中存在著各種各樣的結(jié)構(gòu)，這些結(jié)構(gòu)在物質(zhì)傳輸和能量耗散等方面具有重要的作用，研究這些結(jié)構(gòu)有助于我們更好地理解磁鞘中的等離子體動力學過程.另外，Cluster 和MMS 衛(wèi)星提供的高分辨率數(shù)據(jù)也使得我們可以研究一些動理學小尺度的結(jié)構(gòu).下面簡要回顧磁鞘中幾類常見的結(jié)構(gòu).

1.1 鏡像模

鏡像模（mirror mode）結(jié)構(gòu)類似磁瓶，在空間中相對等離子體坐標系靜止，其最顯著的特征是等離子體壓強和磁壓具有反相關(guān)性.鏡像模的等離子體壓強和磁壓呈現(xiàn)出空間上周期性變化的特點，但是總壓強基本不變，可以看作是壓力平衡的結(jié)構(gòu)，其物理圖像見圖3.鏡像模是磁鞘中最頻繁觀測到的等離子體現(xiàn)象.自1950 年代提出鏡像模概念以來，對其理論模型和物理特性開展了大量的研究（Chandrasekhar et al.,1958; Southwood and Kivelson,1993）.最近，借助MMS 衛(wèi)星高分辨率的粒子測量數(shù)據(jù)，Yao 等（2018a）研究了鏡像模里的電子分布特性.他們把鏡像模中磁場相對平均磁場增強的部分定義為鏡像模的波峰，而把相對平均磁場降低的部分稱為波谷.他們發(fā)現(xiàn)在鏡像模中電子主要被鏡像模的波谷部分所捕獲，并且電子的投擲角分布呈現(xiàn)出類似“甜甜圈”的形狀[在磁洞中心90°投擲角附近（75°～90°）的相空間密度低于中等度數(shù)（60°～75°）的相空間密度，而在磁洞邊緣電子仍然集中在90°，圖3 展示了一個觀測到的事例]，他們推測Betatron 冷卻可能是造成這種分布的原因.進一步地，Li 等（2021）利用平衡態(tài)模型對磁洞演化進行研究，發(fā)現(xiàn)這種形態(tài)的電子投擲角分布可能來自于磁洞的加深（中心處磁場強度隨時間下降）和收縮（磁洞的尺度隨時間變?。┻^程，并且他們還通過粒子模擬方法重現(xiàn)了“甜甜圈”分布的出現(xiàn)與演化特征.

圖3 （a）鏡像模結(jié)構(gòu)的示意圖；（b）沿著假想的衛(wèi)星軌跡測量得到的磁場和數(shù)密度的變化情況（修改自Treumann and Baumjohann,1996; Huddleston et al.,1999）；（c）由Equator-S 衛(wèi)星測量的一個磁鞘鏡像模事例中總壓強、等離子體壓強以及磁壓的變化（修改自Rae et al.,2007）；（d，e）Yao 等（2018a）觀測到的鏡像模結(jié)構(gòu)的總磁場 “甜甜圈”形狀的電子投擲角分布（修改自Yao et al.,2018a）Fig.3 (a) The schematic illustration of the warped magnetic field structure of the mirror mode;(b) The idealized anticorrelated field magnitude and density variations along a hypothetical spacecraft path through these structures (modified from Treumann and Baumjohann,1996; Huddleston et al.,1999);(c) Variations of the total pressure,plasma pressure,and magnetic pressure in the magnetosheath mirror mode fluctuations observed by the Equator-S spacecraft (modified from Rae et al.,2007); an example interval of mirror mode observed by Yao et al.(2018a);(d) The magnetic field magnitude;(e) The donut-like pitch angle distribution configuration (modified from Yao et al.,2018a)

1.2 動理學尺度的磁洞

磁洞是一種磁場降低并且等離子體壓強增大的準對稱結(jié)構(gòu)，目前已經(jīng)在多種空間等離子體環(huán)境中被觀測和研究過.磁洞的尺度可以從磁流體尺度一直延伸到電子尺度.在地球磁鞘中，動理學尺度的磁洞非常常見，并且對于動理學尺度磁洞的研究進行得非常深入.例如，Huang 等（2017a）利用MMS 數(shù)據(jù)首次在動理學尺度（30 個電子回旋半徑或0.23 個質(zhì)子回旋半徑）磁洞內(nèi)發(fā)現(xiàn)了電子渦旋存在的證據(jù)，同時這種磁洞還伴隨著強的電流以及電子流的雙極變化.這些觀測結(jié)果和Haynes 等（2015）在湍動的等離子體模擬中得到的“電子渦旋磁洞”的結(jié)果十分吻合（見圖4）.Huang 等（2017a）的結(jié)果表明這種“電子渦旋磁洞”是磁鞘湍流中一種新的相干結(jié)構(gòu)，這與Haynes 等（2015）的預測相一致.Yao 等（2017）也用MMS 衛(wèi)星觀測到了類似的“電子渦旋磁洞”，并且他們還發(fā)現(xiàn)這種磁洞內(nèi)的電子溫度各向異性與能級有關(guān).進一步地，Liu 和Fu 等（2020）利用他們團隊開發(fā)的“SOTE”方法重構(gòu)了這種電子尺度的磁洞，他們重構(gòu)的結(jié)果表明這個磁洞并不是一個完全對稱的磁洞.此外，Huang 等（2017b）系統(tǒng)地統(tǒng)計了磁鞘中的動理學尺度磁洞，他們發(fā)現(xiàn)這些磁洞存在明顯的電子溫度各向異性特征，具體體現(xiàn)為垂直溫度的增強.他們進一步地研究表明這種溫度各向異性是由部分能級上電子在90°投擲角分布增強所導致的.為了進一步研究造成磁洞中這種電子分布的物理機制，Liu 和Yao 等（2020）提出了一個磁洞的加深和收縮模型.他們認為磁洞的收縮會引起非絕熱坍塌加速過程（non-adiabatic collapse acceleration process），從而在垂直方向上加熱電子進而引起電子投擲角分布的改變.最近，Liu 和Zong 等（2019）發(fā)現(xiàn)了一種嵌套在離子尺度磁洞里的電子尺度磁洞，他們利用“sounding”技術(shù)很好地重構(gòu)了這個磁洞的位型，并且精確計算出了磁洞的半徑只有8 個電子回旋半徑.對于這種嵌套型磁洞，Li 和Yang 等（2020）提出了一種理論解釋：通過構(gòu)建自洽的等離子體平衡態(tài)模型，對觀測到的嵌套型磁洞進行了動理學重構(gòu)，從弗拉索夫—麥克斯韋方程組出發(fā)，并考慮了電子的絕熱運動和等離子體的準中性條件，他們求解出磁洞的動理學平衡態(tài)模型.該模型與觀測結(jié)果高度一致.除了這種磁場強度減弱而密度增加的磁洞結(jié)構(gòu)，磁鞘中還存在著一類磁場增強而密度減小的磁峰結(jié)構(gòu).比如，Yao等（2018b）利用MMS 數(shù)據(jù)觀測到了一個動理學尺度的磁峰結(jié)構(gòu)，并且他們還在這個磁峰結(jié)構(gòu)里觀察到了電子渦旋以及很強的電流.此外，類似的動理學尺度磁洞在火星磁鞘區(qū)域也被廣泛觀測到（Huang et al.,2021b）.

圖4 Huang 等（2017a）觀察到的“電子渦旋磁洞”的磁場和電子速度特征.（a）總磁場；（b）電子速度；（c）電子速度的L 分量；（d）電子速度的M 分量；（e）電子速度的N 分量（修改自Huanget al.,2017a）.（f）“電子渦旋磁洞”在M-N 平面內(nèi)的示意圖（修改自Huang et al.,2017a）；（g）Haynes 等（2015）在模擬中觀測到的“電子渦旋磁洞”（修改自Haynes et al.,2015）.Liu 和Fu 等（2020）利用“SOTE”方法重構(gòu)Huang 等（2017a）觀察到的“電子渦旋磁洞”所得到的磁場在（h）X-Y 平面和（i）X-Z 平面內(nèi)的剖面圖（修改自Liu,Fu,et al.,2020）Fig.4 The magnetic-field and electron-velocity characteristics of electron vortex magnetic hole observed by Huang et al.(2017a).(a) The total magnetic-field magnitude;(b) The electron velocity;(c～e) The L,M,N components of electron velocity(modified from Huang et al.,2017a).(f) Schematic of the electron vortex magnetic hole in the M-N plane in Huang et al.(2017a) (modified from Huang et al.,2017a);(g) Magnetic field lines (black) and (a) out-of-plane magnetic field Bz with electron flow vectors in X-Y plane in Haynes et al.(2015) (modified from Haynes et al.,2015).The reconstructed field magnitude in X-Y and X-Z cross sections in Liu and Fu et al.(2020) (modified from Liu,Fu,et al.,2020)

1.3 電流片

磁鞘等離子體強的湍動特性決定其中存在著大量的電流片，這些電流片與湍流能量耗散以及粒子的加速和加熱密切相關(guān)，同時在這些電流片中也有可能發(fā)生磁場重聯(lián)過程.Retinò等（2007）利用Cluster 數(shù)據(jù)首次證實在準平行激波的下游存在一系列薄的重聯(lián)電流片，這表明磁重聯(lián)可能對湍流能量耗散具有重要作用.近年來，一種新的用來探測電流片的手段?部分方差增量（partial variance of increments,PVI）?被開發(fā)出來，并且被廣泛應用于太陽風湍流研究中（Greco et al.,2008,2009）.Chasapis 等（2015,2018）利用這種方法研究了磁鞘中電流片的電子加熱，他們發(fā)現(xiàn)這些電流片往往伴隨著強的能量耗散.同時，他們還發(fā)現(xiàn)在這些電流片附近電子溫度也會增強，這表明電流片會加速或者加熱電子（圖5）.最近，一種新的只有電子參與重聯(lián)過程的電流片在磁鞘中被發(fā)現(xiàn)（Phan et al.,2018），這種沒有離子耦合的重聯(lián)過程表明存在一種新的湍流能量耗散的形式.此外，磁鞘中還存在著切向間斷面（tangential discontinuity,TD）形式的電流片.例如，Liu 和Zong 等（2019）利用MMS 衛(wèi)星數(shù)據(jù)發(fā)現(xiàn)磁鞘中的切向間斷面可以有效地加熱電子，他們發(fā)現(xiàn)這個磁流體尺度的切向間斷面是一個高速噴流的邊緣.Liu 和Fu 等（2019）對這個切向間斷面進行分析發(fā)現(xiàn)其間存在著精細的動理學尺度結(jié)構(gòu).進一步地他們發(fā)現(xiàn)這種切向間斷面可以通過費米加速的機制來加速電子，并且可以使電子的溫度提升3 倍以上.磁鞘中的高速噴流（high-speed jet）是一種等離子體動壓急劇增強的瞬態(tài)現(xiàn)象，其尺度一般接近1 個地球半徑，經(jīng)常發(fā)生在準平行激波下游（Hietala et al.,2009）.

圖5 Retinò等（2007）在準平行磁鞘中觀測到大量電流片結(jié)構(gòu)，（a）離子能通量；（b）離子密度；（c）磁場大?。唬╠）GSE坐標系下磁場z 分量（修改自Retinò et al.,2007）.Chasapis 等（2015）觀測到電流片結(jié)構(gòu)中增強的電子溫度，部分方差增量（PVI）指數(shù)和局部電子溫度變化（e）散點圖和（f）聯(lián)合分布（修改自Chasapis et al.,2015）Fig.5 Current sheets in quasi-parallel magnetosheath observed by Retinò et al.(2007).(a) Spectrogram of the ion differential energy flux;(b) Ion density;(c) Magnitude of the magnetic field;(d) Zoom-in of the Bz component of the magnetic field in the time interval 10:16:00～10:17:30 (modified from Retinò et al.,2007).Enhanced local electron temperature in current sheets observed by Chasapis et al.( 2015),(e) Scatter plot of the values for each detected current sheets;(f) Normalized histograms are shown along the y axis for each slice of PVI index values (modified from Chasapis et al.,2015)

1.4 離子尺度磁島

磁島（magnetic island）是一種螺旋形的磁場結(jié)構(gòu)，它的特點包括總磁場的增強和密度的增加（有時中心密度相對減小），并且伴隨著強的平行于磁場方向電流（圖6）.如果我們在LMN坐標系下觀察磁島，當衛(wèi)星穿過磁島中心時，可以觀察到磁場L分量的雙極變化和M分量的增強.這里的LMN坐標系是通過對磁場數(shù)據(jù)進行最小方差分析得到的，其中L方向為最大方差方向，而N方向為最小方差方向，并且指向磁島法向.在太陽風中，人們把類似這種的結(jié)構(gòu)按照尺度來命名，在最大尺度上（持續(xù)時間接近20 小時）被稱為磁云（magnetic cloud）或者通量繩（flux rope），只有在最小尺度上（持續(xù)時間為幾分鐘或幾個小時）才被稱為磁島，也有學者將最小尺度上的這種結(jié)構(gòu)稱為通量繩（Khabarova et al.,2015; Shi et al.,2021）.Karimabadi等（2014）利用全球混合模擬發(fā)現(xiàn)在準平行磁鞘中存在著非常多的磁島，它們遍布從弓激波到磁層頂之間的區(qū)域.這些磁島的尺度為幾十個離子慣性長度，且常常存在強電流和密度耗空.在湍動的環(huán)境中，磁島運動的方向是隨機的，衛(wèi)星穿越的時間較短使得需要高精度數(shù)據(jù)才能辨別，因此導致以往的衛(wèi)星在磁鞘中觀測到磁島比較困難.借助MMS 衛(wèi)星的高精度數(shù)據(jù)，Huang 等（2016）首次在磁鞘中觀測到了一個尺度接近8 個離子慣性長度的磁島，并且他們還在這個磁島的內(nèi)部和邊緣觀察到了豐富的高頻波動現(xiàn)象，表明在該磁島中發(fā)生多尺度耦合物理過程（圖6）.

圖6 Huang 等（2016）在磁鞘中觀測到的離子尺度磁島的等離子體特征.（a）總磁場；（b）磁場L 分量BL；（c）磁場M 分量BM；（d）磁場N 分量BN；（e）LMN 坐標系下的電場；（f）LMN 坐標系下的離子速度；（g）離子溫度；（h）離子密度；（i）LMN 坐標系下的電子速度；（j）電子溫度；（k）電子密度；（l）用Curlometer 方法（實線）和等離子體方法（虛線）計算的電流；（m）場向坐標系內(nèi)下的電流.磁島的中心和邊緣分別用藍色和黃色陰影標出（修改自Huang et al.,2016）Fig.6 Detailed observations of the magnetic island in the magnetosheath (vector data are given in LMN coordinates).(a～d)Magnitude and components of the magnetic field from the four MMS spacecraft;(e) Electric field;(f) Three components of ion velocity:(g) Ion temperature;(h) Ion density;(i) Electron velocity;(j) Electron temperature:(k) Electron density;(l) Current density calculated using the Curlometer method (solid lines) and the plasma measurements (dashed lines);(m)Current in field-aligned coordinates.The data shown in Figures 2e～2m are measured by MMS2.The center (respectively,edges) of the magnetic island is marked by the shaded yellow (respectively,blue) regions (modified from Huang et al.,2016)

1.5 阿爾芬渦旋

阿爾芬渦旋是一類對稱的等離子體渦旋，它的對稱軸平行于平均磁場.阿爾芬渦旋可以看作是類似于圓柱形的阿爾芬波，它在垂直于磁場的平面內(nèi)傳播.在地球磁鞘中，阿爾芬渦旋最早由Alexandrova等（2006）用Cluster 數(shù)據(jù)發(fā)現(xiàn)，他們將觀測到的阿爾芬渦旋具有的特征和理論模型進行對比，發(fā)現(xiàn)吻合得很好.另外他們計算出了阿爾芬渦旋的尺度、傳播方向和運動的方向.最近，Wang 等（2019）利用MMS 衛(wèi)星數(shù)據(jù)詳細研究了阿爾芬渦旋中的粒子動力學，他們發(fā)現(xiàn)在阿爾芬渦旋邊緣、內(nèi)部和中心電子和離子溫度會發(fā)生變化，并且它們的變化趨勢相反.具體來說，離子溫度在渦旋中心達到局部最大值，隨后減小，直到電流反轉(zhuǎn)時達到局部最小值，之后直到渦旋邊緣離子溫度逐漸增大；而電子溫度在渦旋中心則為局部最小值，局部最大值在渦旋邊緣和電流反轉(zhuǎn)處取得.并且他們還發(fā)現(xiàn)離子溫度的變化和平行電流相關(guān)，隨著平行電流增大離子溫度各向異性增強；而電子溫度的變化則與平行渦度相關(guān)，電子溫度各向異性會隨著平行渦度的增大而增強.

2 地球磁鞘中的波動

地球磁鞘等離子體的一個顯著特征是離子溫度的各向異性，具體體現(xiàn)為垂直溫度相比于平行溫度更大，這種各向異性為磁鞘中的一些波動提供了自由能（Sckopke et al.,1990）.早期對于地球磁鞘中波動的觀測研究往往只能利用一到兩顆衛(wèi)星的數(shù)據(jù)，這使得一些關(guān)鍵的波動參量例如波矢等無法計算.直到Cluster 衛(wèi)星升空，我們才可以利用四顆衛(wèi)星的數(shù)據(jù)精確地確定波矢.Narita 等（2006）利用Cluster 衛(wèi)星數(shù)據(jù)統(tǒng)計了磁鞘和激波前兆區(qū)中低頻波動的傳播方向，他們發(fā)現(xiàn)這些低頻波在磁鞘和激波前兆區(qū)的傳播方向存在很大不同：在激波前兆區(qū)中，波動是向著太陽傳播的；而在磁鞘里面，波動會向兩翼和磁層頂傳播（具體物理圖像見圖7）.在這之后，MMS 衛(wèi)星高精度的粒子數(shù)據(jù)使得波動過程中的動力學過程可以通過觀測來研究.

圖7 地球弓激波上游激波前兆區(qū)和下游磁鞘中低頻波動的傳播方向示意圖（修改自Narita et al.,2006）Fig.7 Schematic diagram of the propagation direction of lowfrequency fluctuations in the upstream foreshock region and downstream magnetosheath of the Earth's bow shock (modified from Narita et al.,2006)

2.1 電磁離子回旋波

電磁離子回旋（electromagnetic ion cyclotron,EMIC）波可以通過離子溫度各向異性或者離子的相對束流激發(fā)，它的頻率低于離子回旋頻率，在等離子體坐標系下具有左旋極化以及平行于磁場方向傳播的特征.EMIC 波是磁鞘中非常常見的波動，通常發(fā)生在準垂直激波的下游（Schwartz et al.,1996）.磁鞘中產(chǎn)生的EMIC 波的振幅可以非常大，例如Alexandrova 等（2004）利用Cluster 衛(wèi)星數(shù)據(jù)在準垂直激波下游觀測到了振幅可達10 nT 的EMIC 波事件.最近，Zhao 等（2018,2019b,2020）利用MMS 衛(wèi)星數(shù)據(jù)在準平行和準垂直激波下游都觀測到了類似的大振幅EMIC 波事件.同時他們還開發(fā)出了一種新的判斷低頻波模和傳播方向的方法，這種方法通過將平行坡印廷矢量、垂直方向磁場、垂直離子流速和波動的極化特征結(jié)合，可以準確地判別離子回旋波或者快磁聲波.圖8 展示了他們觀測到的一次EMIC 波事件的極化分析圖.另外他們還結(jié)合MMS 測量的粒子分布數(shù)據(jù)研究了離子和電子投擲角對EMIC 波的調(diào)控作用.

圖8 Zhao 等（2019b）觀測到的一次EMIC 波事件的極化分析特征.（a）傳播角；（b）極化度；（c）橢圓率；（d）歸一化的坡印廷矢量，圖中白色實線表示質(zhì)子回旋頻率（修改自Zhao et al.,2019b）Fig.8 Polarization analysis of an EMIC wave event observed by Zhao et al.(2019b).(a) The wave normal angle of the wave vector relative to B0;(b) The degree of polarization;(c) The ellipticity;(d) The Poynting flux along the magnetic field,where the white solid line represents the proton cyclotron frequency (modified from Zhao et al.,2019b)

2.2 哨聲波

磁哨聲波也被稱作“獅子吼”，是磁鞘中另一種常見波動模式.哨聲波在等離子體坐標系下具有右旋極化和準平行傳播的特性，在磁鞘中它的發(fā)生頻率一般在100 Hz 左右.Masood 等（2006）利用Cluster 數(shù)據(jù)統(tǒng)計分析了磁鞘中的哨聲波事件發(fā)現(xiàn)它們的發(fā)生頻率介于離子回旋頻率和電子回旋頻率之間，同時他們還認為磁鞘中除了局地的垂直電子溫度各向異性引起的哨聲波之外，還存在著從其他源傳過來的哨聲波.Breuillard 等（2016）利用MMS數(shù)據(jù)發(fā)現(xiàn)哨聲波也可以通過平行電子溫度各向異性來激發(fā)，同時他們還發(fā)現(xiàn)發(fā)生在鏡像模結(jié)構(gòu)中的哨聲波伴隨著電子的90°投擲角增強，他們提出這是由電子投擲角散射和哨聲波相互作用的結(jié)果.進一步地，Huang 等（2018）利用MMS 數(shù)據(jù)統(tǒng)計研究了“電子渦旋磁洞”，發(fā)現(xiàn)在許多磁洞中存在哨聲波，他們發(fā)現(xiàn)這些哨聲波是由于磁洞內(nèi)部的電子溫度各向異性激發(fā)的，該研究結(jié)果表明在湍動等離子體中存在電子尺度結(jié)構(gòu)與電子尺度波動的耦合（圖9）.

圖9 Huang 等（2018）觀測到的一個“電子渦旋磁洞”中的哨聲波事件：（a）總磁場；（b）電子垂直溫度與平行溫度的比值；（c）對SCM 儀器測量的磁場進行高通濾波之后的磁場；（d）電場頻譜；（e）磁場頻譜；（f）橢圓率；（g）傳播角；（h）平面度（修改自Huang et al.,2018）Fig.9 A whistle-wave event in an electron vortex magnetic hole observed by Huang et al.(2018):(a) Total magnetic field;(b) Ratio of electron perpendicular to parallel temperature;(c) Magnetic field measured by the SCM instrument after filtering;(d) Electric field spectrum;(e) Magnetic field spectrum;(f) Ellipticity;(g) Propagation angle;(h) Polarization degree(modified from Huang et al.,2018)

2.3 靜電孤立波

靜電孤立波（electrostatic solitary wave,ESW）又被稱作孤立靜電結(jié)構(gòu)(isolated electrostatic structures,IES)，它表現(xiàn)為雙極或者三極變化的平行電場.磁鞘中靜電孤立波最早的觀測可以追溯到1990年代Geotail 衛(wèi)星的測量（Kojima et al.,1997），后來，Pickett 等（2005）利用Cluster 數(shù)據(jù)統(tǒng)計分析了磁鞘中ESW 的發(fā)生位置和激發(fā)條件，他們發(fā)現(xiàn)ESW 可以發(fā)生在磁鞘中的任何區(qū)域，并且可以通過雙流不穩(wěn)定性來激發(fā).最近，這種高頻的靜電孤立波在磁鞘離子尺度磁島中也被觀測到（Huang et al.,2016）.

2.4 小結(jié)

磁鞘中的結(jié)構(gòu)和波動很多情況下都是相互關(guān)聯(lián)、耦合到一起的，例如，Huang 等（2016）在離子尺度磁島的中心和周圍分別觀測到了ESW 和哨聲波.Yao 等（2019）統(tǒng)計分析了動理學尺度磁洞區(qū)域中哨聲波、EMIC 波與ESW 的發(fā)生情況，他們發(fā)現(xiàn)磁場下降最快的地方對應于波動最頻繁的地方，而遠離磁場下降最快的位置，波動發(fā)生率是最低的.這些研究表明動理學尺度的磁洞是很多波動的來源，這主要是因為磁洞里面存在電子溫度各向異性，可為波動的激發(fā)提供自由能.

3 地球磁鞘中的湍流

地球磁鞘中的磁場功率譜通常呈現(xiàn)出寬頻帶的冪律分布，這與太陽風湍流的特征非常吻合.在太陽風湍流研究中，我們把磁場頻譜分為以下幾個部分：在大尺度上（10?6～10?4Hz），磁場的譜指數(shù)為?1，這部分被稱作能量注入尺度或者含能區(qū)；隨著尺度減小（頻率增大），1 AU 處的太陽風頻譜指數(shù)趨近于著名的Kolmogorov 譜指數(shù)?5/3（Tu and Marsch,1995; Bruno and Carbone,2013; Kiyani et al.,2015; Huang et al.,2021c），也就是通常認為的慣性區(qū),而在近日點附近（接近0.3 AU）的太陽風頻譜指數(shù)則趨近于?3/2（Chen et al.,2020）; 隨著頻率進一步增大到大于離子特征頻率，頻譜進一步變陡，因為在頻率大于離子特征頻率之后，MHD 近似不再滿足而動理學效應的作用很重要，所以我們把這部分區(qū)域統(tǒng)稱為動理學尺度.而在動理學尺度以下，又可以劃分出幾個更小的尺度區(qū)間.在動理學尺度的起始部分，有時存在一段頻譜指數(shù)可以達到?4 的離子轉(zhuǎn)換區(qū)（Sahraoui et al.,2009,2010; Huang et al.,2021c）.最近Duan 等（2021）以及Zhang 等（2022）對近日點太陽風的研究表明這部分區(qū)域的頻譜指數(shù)存在著各向異性，可以在?3～?6 之間變化.隨著頻率進一步增大，我們把頻率小于電子特征頻率的部分稱作亞離子尺度范圍，這部分區(qū)域的頻譜指數(shù)接近于?2.73.而對于電子尺度上的頻譜，目前還存在一定的爭議：Sahraoui 等（2009）認為在電子尺度以上，磁場頻譜仍然滿足冪律分布，而Alexandrova 等（2009）則認為從亞離子尺度之后磁場頻譜滿足的是指數(shù)分布.由于磁鞘也是一個研究湍流的天然實驗室，因此也可以用磁鞘的數(shù)據(jù)來檢驗太陽風湍流的一些爭議.但需要注意的是，磁鞘湍流和太陽風湍流也存在著一些顯著的差異，例如磁鞘湍流往往受磁層頂和弓激波的影響，存在著邊界影響（Sahraoui et al.,2006; Yordanova et al.,2008）.下面介紹磁鞘湍流的一些最新進展.

3.1 磁鞘湍流頻譜

磁鞘中磁場的?5/3 頻譜最早由Alexandrova 等（2008）在磁鞘的側(cè)翼區(qū)域觀測得到.Huang 等（2017c）利用Cluster 數(shù)據(jù)分別統(tǒng)計分析了磁鞘磁場的慣性區(qū)頻譜和亞離子尺度頻譜.他們發(fā)現(xiàn)：在MHD 尺度，頻譜指數(shù)與距離弓激波遠近存在很大的聯(lián)系，在靠近弓激波的日下點區(qū)域頻譜指數(shù)接近于?1，而在遠離弓激波的磁鞘側(cè)翼區(qū)域頻譜指數(shù)才接近于?5/3（見圖10），并且接近Kolmogorov 譜指數(shù)的只占一小部分，他們認為這是因為側(cè)翼區(qū)域湍流得到了充分的發(fā)展.在亞離子尺度，磁場頻譜指數(shù)主要取決于當?shù)氐牡入x子體環(huán)境，與距離弓激波遠近無太大關(guān)系（見圖10），頻譜指數(shù)的分布特征類似太陽風中的觀測結(jié)果.類似的結(jié)果在水星磁鞘中也被觀測到（Huang et al.,2020b）.當尺度減小到電子尺度以下時，Huang 等（2014）發(fā)現(xiàn)磁場頻譜存在明顯的“拐點”，并且在亞電子尺度呈現(xiàn)出冪律分布的特征，這與Sahraoui 等（2009）在太陽風的觀測結(jié)果一致.同時他們的統(tǒng)計結(jié)果也表明磁鞘湍流在電子尺度的譜指數(shù)比太陽風湍流更陡，并且頻譜在電子尺度的“拐點”對應頻率與電子回旋頻率具有很好的相關(guān)性.Li H 等（2020）利用MMS 數(shù)據(jù)進一步研究了磁鞘湍流的演化特征，他們發(fā)現(xiàn)慣性區(qū)頻譜不僅與距離弓激波的距離有關(guān)，還和馬赫數(shù)存在很好的正相關(guān)性，并且這兩種相關(guān)性都不受激波位型的影響，但是在亞離子尺度上則沒有觀察到這些相關(guān)性.

圖10 磁鞘湍流頻譜譜指數(shù)的空間分布特征：（a）MHD 譜指數(shù)；（b）亞離子尺度譜指數(shù)；（c）MHD 尺度直方圖；（d）亞離子尺度直方圖（修改自Huang et al.,2017c）Fig.10 2D distributions of the magnetic-field spectral slopes in XGSE-YGSE plane at (a) MHD scales;(b) Sub-ion scales; the histogram of the spectral slopes at (c) MHD scales,(d) sub-ion scales (modified from Huang et al.,2017c)

3.2 磁鞘湍流的波動特征

在MHD 尺度，He 等（2011）利用結(jié)構(gòu)函數(shù)方法發(fā)現(xiàn)磁鞘湍流慣性區(qū)的波動由平行和垂直方向上的波動疊加組成，并且垂直方向上的波動占據(jù)主導地位.Huang 等（2017a）通過將觀測的磁壓縮比和理論進行比較發(fā)現(xiàn)：磁鞘湍流在慣性區(qū)只有約35%呈現(xiàn)出阿爾芬化的波動特征，其他的65%都是可壓縮性的類磁聲擾動，該結(jié)果與太陽風中的觀測結(jié)果存在很大差異，這表明類磁聲擾動也是湍流慣性區(qū)的物理本質(zhì).在亞離子尺度，Huang 等（2021a）利用結(jié)構(gòu)函數(shù)方法證實了動理學尺度湍流仍然由平行和垂直兩種波動成分組成，并且垂直方向波動占主導.Chen 和Boldrev（2017）發(fā)現(xiàn)磁鞘湍流的波動特征存在兩個不同的亞區(qū)間，在前半部分區(qū)域，湍流是由垂直方向上的動理學阿爾芬波主導；而在更小的尺度上，由于離子溫度遠大于電子溫度，并且等離子體β接近于1，導致湍流滿足慣性動理學阿爾芬波的特征.Zhu 等（2019）對動理學尺度上磁場湍流和電場湍流都進行了詳細的研究.他們發(fā)現(xiàn)在動理學尺度上磁場和電場的頻譜特征不同，并且在電子尺度和離子尺度頻譜特征都不相同，具體圖像見圖11.與Chen 和Boldrev（2017）等的發(fā)現(xiàn)一樣，他們也發(fā)現(xiàn)在動理學尺度上存在兩個滿足不同波動特征的區(qū)間：在電子慣性尺度以內(nèi)，磁場和電場湍流都滿足動力學阿爾芬波的特征，而在更高頻率范圍內(nèi)，磁場湍流主要由準平行的哨聲波占主導，電場湍流則主要由離子聲波占主導.進一步地，He 等（2020）將MMS 觀測和等離子體理論相結(jié)合系統(tǒng)研究了造成磁鞘湍流波動特征存在不同形式的原因，他們按照電場功率譜密度在不同坐標系下的比值將亞離子尺度頻譜劃分為湍流離子擴散尺度（turbulence ion diffusion range,T-IDR）和湍流電子擴散尺度（turbulence electron diffusion range,T-EDR）兩個區(qū)域，其中T-IDR 在觀測中大概位于6.3～63 個離子慣性尺度，而T-EDR 則位于27～270 個電子慣性尺度.他們發(fā)現(xiàn)在T-IDR 區(qū)域霍爾效應造成了正的色散；而在T-EDR 區(qū)域存在把能量轉(zhuǎn)移給電子的平行方向上的耗散過程.另外，Zhu 等（2020）也發(fā)現(xiàn)除了波動特征不同之外，磁鞘中磁場湍流和電場湍流也存在不同的間歇性特征.

圖11 不同磁鞘事件中磁場湍流和電場湍流不同的頻譜特征:（a）磁場功率譜密度；（b）電場功率譜密度.平行功率譜密度和垂直功率譜密度的比值：（c）磁場；（d）電場.PSD：功率譜密度（修改自Zhu et al.,2019）Fig.11 The magnetic-field spectra and electric-field spectra in seven different magnetosheath events.(a) Power spectral density(PSD) of the magnetic field;(b) PSD of the electric field.The ratio between parallel PSD and perpendicular PSD of:(c) the magnetic field,(d) the electric field (modified from Zhu et al.,2019)

3.3 磁鞘湍流的能量耗散

Huang 等（2020a）利用MMS 數(shù)據(jù)研究了湍流能量耗散和磁場曲率的關(guān)系，發(fā)現(xiàn)在磁場曲率更大處J·E′增大，該結(jié)果表明磁場曲率更大的地方存在更強的能量耗散.他們還發(fā)現(xiàn)在磁場曲率更大處，電子溫度顯著增加（見圖12），對于該觀測結(jié)果，他們提出一種可能解釋：在磁場曲率大的地方存在費米加速過程，從而引起電子溫度升高.He 等（2019）首次研究了磁鞘湍流的耗散率頻譜，他們發(fā)現(xiàn)在離子動理學尺度上存在正的能量耗散，并且他們還估計了離子尺度的能量耗散率為0.5×106J·kg?1s?1，除此之外，他們還給出了一個磁鞘湍流串級和耗散的設想，他們認為能量耗散發(fā)生在離子和電子特征尺度上，而在離子和電子尺度之間則存在著第二個類似于慣性尺度的串級過程.

圖12 歸一化磁場曲率和歸一化局地電子溫度增量的聯(lián)合分布.所有量均按照均方根進行歸一化（修改自Huang et al.,2020a）Fig.12 Normalized histogram of the magnetic-field curvature and the local increase of electron temperature.All quantities are normalized to their respective root-meansquare values (modified from Huang et al.,2020a)

4 結(jié)論與展望

本文簡要回顧了近年來地球磁鞘中的結(jié)構(gòu)、波動和湍流研究上的最新進展，著重介紹了國內(nèi)學者利用Cluster 和MMS 衛(wèi)星的高精度數(shù)據(jù)取得的重要成果.雖然對于地球磁鞘的研究已經(jīng)有70 多年的歷史，并且在很多方面都取得了較大的進展，但是由于理論和觀測的限制，目前仍然有許多尚未解決的問題，下面列舉幾個方面：

（1）磁鞘湍流在動理學尺度上能量耗散的過程是什么樣的，能量耗散的機制包含哪些？關(guān)于這個問題，Hou 等（2021）利用PVI 方法研究了磁場重聯(lián)以及相干結(jié)構(gòu)對于磁鞘湍流能量耗散的貢獻，他們發(fā)現(xiàn)磁場重聯(lián)過程雖然能在局地產(chǎn)生強的能量耗散，但是由于磁重聯(lián)事件很少，所以它們對于總能量耗散的貢獻其實很小.我們知道衛(wèi)星的穿越觀測僅僅是空間中的一條線，并不能得到整個全部空間的測量數(shù)據(jù)，因此有關(guān)湍流能量耗散還需要進一步地研究.

（2）因為磁鞘里面存在很多大振幅的波動，所以往往會引起非線性波粒相互作用，研究這些非線性波粒相互作用對于了解磁鞘粒子動理學過程具有重要的作用.例如，Breuillard 等（2018）利用MMS 數(shù)據(jù)研究了鏡像模中的電子動力學以及哨聲波對于電子動力學的影響.他們發(fā)現(xiàn)這些鏡像模中的電子和哨聲波之間的相互作用促進了電子從鏡像模中的逃逸.Zhao 等（2019a）分析了一個同時存在鏡像模、EMIC 波和哨聲波事件的粒子動力學，他們發(fā)現(xiàn)粒子流速和離子電子差分流對于波動的激發(fā)和等離子體不穩(wěn)定性有一定的影響，反過來這些波動也會對粒子分布函數(shù)產(chǎn)生一定的影響.由于衛(wèi)星數(shù)據(jù)精度的限制，目前對于磁鞘中非線性波粒相互作用還沒有非常全面的研究，因此這也是一個值得研究的方向.

（3）最后，磁鞘中產(chǎn)生的結(jié)構(gòu)、波動和湍流以及其他的動力學現(xiàn)象對于磁層有什么影響？目前這方面的研究主要集中在研究磁鞘中的大尺度瞬態(tài)事件（例如高速噴流等）和低頻波動對磁層的影響（Archer et al.,2013; Wang et al.,2021），但對于較小尺度結(jié)構(gòu)，湍流和高頻波動等對磁層的影響和作用卻鮮有涉及，因此這方面未來還存在許多值得研究的內(nèi)容.

致謝

感謝歐洲空間局Cluster 衛(wèi)星團隊和美國宇航局MMS衛(wèi)星團隊提供的高精度數(shù)據(jù).