水星是太陽系中距離太陽最近的一顆行星。上世紀70年代，水手10號兩次近距離掠飛水星，發(fā)現(xiàn)水星可能存在全球偶極磁場。2011年，美國信使號成為首個環(huán)繞水星探測的飛船，并開啟了長達四年的連續(xù)在軌監(jiān)測。信使號的觀測證實了水星存在一個較弱的全球偶極磁場，其磁偶極矩約為地球偶極矩的萬分之四，表明水星內(nèi)核磁場發(fā)電機要遠弱于地球當前內(nèi)核磁場發(fā)電機。與地球磁層類似，水星磁場與外部太陽風的相互作用也能形成一個磁層空腔，不過尺度遠比地球磁層?。s為地球磁層的5%）。因此水星磁層在某種程度上可近似看作是地球磁場變?nèi)鯐r候的磁層“樣本”。
地球偶極磁場能夠有效捕獲太陽風高能帶電粒子，使得地球免遭太陽高能粒子的直接轟擊。捕獲的太陽高能帶電粒子在偶極磁場的引導(dǎo)作用下會漂移（離子西向漂移，電子東向漂移）形成一個環(huán)繞地球的西向環(huán)電流。當出現(xiàn)太陽風暴時，西向環(huán)電流顯著增強，并造成地表地磁場強度的下降（圖1）。
由于水星磁層空間的觀測資料有限，通常認為水星磁層是地球磁層按比例縮小的“小號”版本，也應(yīng)該存在一個由捕獲離子形成并環(huán)繞水星的西向環(huán)電流。但有學者認為，若將地球環(huán)電流高能粒子放在水星偶極磁場中，那么水星環(huán)電流區(qū)域則應(yīng)對應(yīng)位于水星表面以下。所以，水星顯然是不可能存在環(huán)電流。此外，由于水星向陽面磁層高度壓縮，捕獲粒子也較難以絕熱粒子的形式形成閉環(huán)漂移運動。但也有學者認為，雖然高能粒子不易捕獲，但水星有可能捕獲較低能量的粒子，并且在觀測研究和模擬研究中發(fā)現(xiàn)了這樣的捕獲粒子。然而，對于這樣的捕獲粒子能不能形成西向環(huán)電流仍不清楚。
澄清水星是否具有西向環(huán)電流對于認識太陽風與水星相互作用，揭示水星空間等離子體物理過程具有科學意義，并有助于探索行星磁場演化在行星宜居環(huán)境中所扮演的角色。然而，考慮到信使號等離子體儀器的視場有限，研究獲得的等離子體整體速度、密度、溫度等參量存在一定誤差，這給直接分析離子的漂移運動帶來了困難。此外，即使離子漂移運動能環(huán)繞水星形成閉合路徑，如何評估這些漂移離子是否帶來顯著的西向環(huán)電流也是較為困難。
為此，中國科學院地質(zhì)與地球物理研究所地球與行星物理院重點實驗室博士生石振在導(dǎo)師研究員戎昭金、魏勇的指導(dǎo)下，與瑞典于默奧大學、美國密歇根大學等機構(gòu)的國際學者合作，提出可通過計算信使號測量到磁場的平均旋度，進而反演水星空間電流分布，確認水星空間是否存在顯著的西向環(huán)電流（因為顯著的環(huán)電流會產(chǎn)生顯著的磁場擾動）。通過對信使號近4年的磁場統(tǒng)計分析，研究顯示水星磁層內(nèi)部不存在類似于地球磁層的西向電流環(huán)帶；但在水星夜側(cè)磁赤道附近， 500-1000 km高度范圍內(nèi)存在一個明顯的東向電流（JEC，圖2）。該東向電流主要集中在磁赤道面上，自西向東運轉(zhuǎn)，并與向陽面的磁層頂電流（JCF）閉合形成回路。進一步的模擬研究證實了該結(jié)論，并顯示出該東向電流能永久性地存在于任意太陽風條件下。結(jié)合模擬及相關(guān)分析計算，科研人員提出了東向電流的形成機理（圖3）：太陽風離子通過擴散作用從磁層兩側(cè)進入水星磁層，在磁場的引導(dǎo)作用下，在夜側(cè)磁赤道面附近形成準捕獲等離子體帶；在等離子體帶的內(nèi)側(cè)，徑向向外的等離子體壓力梯度與磁場共同驅(qū)動了東向抗磁電流。
東向電流的發(fā)現(xiàn)更新了對水星磁層電流體系的傳統(tǒng)認知，澄清了多年的科學謎題——水星至少不顯著存在類似地球磁層的西向環(huán)電流，不能簡單地將水星磁層視為地球磁層的“小號”版本。此外，水星東向電流的發(fā)現(xiàn)對于理解水星發(fā)電機演化、系外行星空間等離子體環(huán)境等科學探測具有重要的科學意義。
相關(guān)研究成果發(fā)表在Geophysical Research Letters上。研究工作得到中科院戰(zhàn)略性先導(dǎo)科技專項、國家自然科學基金、中科院地質(zhì)地球所重點部署項目、中科院重點部署項目的資助。
圖1.（左）地球磁層西向環(huán)電流形成示意圖；（右）增強的西向環(huán)電流引起地球空間磁暴，造成地表地磁場強度下降
圖2.水星磁層電流體系示意圖，其中JEC為研究發(fā)現(xiàn)的東向電流
圖3.東向電流形成機制示意圖
來源：中國科學院地質(zhì)與地球物理研究所
