近日，空间科学系Malcolm Dunlop教授等人，利用欧洲空间局（ESA）两个旗舰卫星计划Cluster和Swarm的探测数据，首次发现地球上空的磁层空间爆发性高速粒子流驱动地磁场剧烈扰动的直接观测证据。研究成果发表在国际空间物理权威期刊《地球物理学研究快报》（Geophysical Research Letters）上（图一）。欧洲空间局网站以“Swarm and Cluster get to the bottom of geomagnetic storms”为题报道了这一新发现。该研究成果也被欧洲空间局评为亮点成果。博士生魏冬为论文的第一作者，Malcolm Dunlop教授为第二作者兼通讯作者。

图一 GRL论文截图

Malcolm Dunlop教授团队根据磁层、电离层以及地面台站的多点观测数据，对2015年1月7日磁暴事件中内磁层的爆发性整体流、电离层共轭区域的场向电流以及地面共轭区域的磁场扰动等多个方面开展了研究。研究发现在地面磁场剧烈扰动期间，Cluster卫星在磁层空间观测到了明显的爆发性高速流。通过对电流的估算发现在不同高度的磁层与电离层区域场向电流在形态和结构上有着惊人的相似。这直接证明了场向电流在磁层爆发性高速流与地面磁场剧烈扰动之间的纽带作用，揭示了爆发性高速流通过场向电流对地面剧烈磁扰动的驱动作用。该物理过程如图二所示。

图二 磁层爆发性高速流驱动地面剧烈磁场扰动的示意图 （Credit: ESA）

欧洲空间局的报道中指出，虽然这一科学发现看起来有些学术，但对整个社会具有实际意义。随着保障人类现代生活的地面和太空基础设施的快速增长，我们对了解和监测空间天气环境的需求也日益增强。未来采取适当的措施来保护这些基础设施免受极端空间天气的危害也是至关重要的。这些新的成果将有助于我们进一步理解地球磁层内可能导致潜在危害性空间天气环境的过程。

此项研究获得了国家自然科学基金创新群体、面上项目经费以及中国子午工程的支持。

欧洲空间局报道链接：https://www.esa.int/Applications/Observing_the_Earth/Swarm/Swarm_and_Cluster_get_to_the_bottom_of_geomagnetic_storms

相关论文链接：https://doi.org/10.1029/2020GL091781