《Nature Communications》：Substorm expansion embedded in a global cycle of field-aligned currents and auroral electrojets
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本研究旨在厘清磁层亚暴膨胀相的触发与演化机制。科研人员通过协同观测风暴期强亚暴，揭示了亚暴膨胀在时间上嵌入于一个与大规模等离子体对流耦合的全球性场向电流与极光电激流循环之中。这一发现表明，膨胀相起始可在晨侧或昏侧重联主导时发生，为理解亚暴的完整演化提供了关键见解。
当我们仰望高纬度地区的夜空，常常能看到绚丽多彩的极光舞动。这种自然奇观背后，是来自太阳的带电粒子（太阳风）与地球磁场（磁层）之间持续不断的能量交换过程。其中，一种被称为“磁层亚暴”（geomagnetic substorm）的剧烈能量释放事件扮演了核心角色，它将太阳风的能量注入地球磁层和电离层，不仅产生壮丽的极光显示，还会引发显著的地磁扰动。尽管亚暴现象已被研究数十年，但其膨胀相——即能量释放最为剧烈的阶段——的触发与演化机制，始终是空间物理学领域一个悬而未决的重大谜题。具体而言，研究人员一直在探索：亚暴膨胀是如何被启动的？它究竟是磁层内部不稳定性独立演化的结果，还是嵌入在一个更大尺度的全球性耦合过程之中？
为了回答这些根本性问题，一组研究人员对风暴期的强亚暴进行了协同观测研究。他们发现，亚暴膨胀并非孤立事件，而是在时间上嵌入于一个全球性的场向电流（field-aligned currents, FACs）与极光电激流（auroral electrojets）循环之中，并且该循环与大规模等离子体对流相耦合。这项重要的研究成果发表在《Nature Communications》上。
本研究主要依赖于对地磁暴期间强磁层亚暴的协同观测。研究团队综合利用了多颗卫星（如 THEMIS 任务卫星簇）的现场测量数据和地面台站（如全球磁力计网络）的地基观测数据，实现了对磁层、电离层中电流体系与对流模式的时空同步追踪与分析。通过对风暴期多个强亚暴事件的详细剖析，研究人员得以重构场向电流与极光电激流的全球分布及其动态演化过程。
亚暴膨胀嵌入全球电流-对流循环
研究结果显示，亚暴的膨胀相在时间上精确地嵌入一个全球性的、连贯的物理循环中。这个循环表现为电流峰值（包括场向电流和极光电激流）在磁经度和磁纬度上的一致移动：首先是逆太阳方向（antisunward）和向赤道方向（equatorward） 运动，随后转变为向太阳方向（sunward）和向极方向（poleward） 运动。这种电流峰的移动模式与增强的、向太阳方向的电离层对流（sunward ionospheric convection）在时间上高度吻合。
循环包含两种极光电激流成分
进一步分析表明，这一全球循环涉及了极光电激流的两个组成部分：
- 1.
对流驱动的DP-2电流：主要由全球对流电场驱动。
- 2.
膨胀相的DP-1亚暴电流：与亚暴膨胀相直接相关的集中电流。
在循环的逆太阳方向-赤道向阶段，对应着以日侧（dayside）磁重联为主导的时期，该阶段始于DP-2电流，并可以逐步过渡到DP-1电流。而在随后的向太阳方向-极向阶段，反映了以夜侧（nightside）重联为主导的时期，DP-1电流要么从前一阶段持续下来，要么就在这个阶段内发展起来。
揭示了膨胀相起始的两种可能情境
这些观测清晰地表明，亚暴膨胀相的起始（expansion onset）可以在两种不同的重联主导背景下发生：既可以在日侧重联主导时，也可以在夜侧重联主导时。然而，DP-1电流的充分发展通常涉及到夜侧重联。这意味着，虽然膨胀的“扳机”可能在日侧或夜侧被扣动，但其最终演变为一个完整的、能量充分释放的亚暴事件，夜侧磁重联过程至关重要。
该研究通过精密的协同观测，首次将磁层亚暴的膨胀相置于一个更大尺度的全球性耦合框架中来理解。其核心结论是：亚暴膨胀并非一个孤立的、局地的爆发事件，而是一个全球性的场向电流与极光电激流循环（该循环与等离子体大尺度对流紧密耦合）中的一个时序环节。这一循环的揭示，为解决亚暴膨胀相机制这一长期争议提供了关键性的观测证据。它表明，理解亚暴需要同时考虑日侧和夜侧的重联过程以及它们驱动的全球电流与对流体系之间的相互作用。具体而言，研究指出膨胀起始对重联主导区的依赖性较小，但膨胀相的充分发展（以强DP-1电流为标志）则与夜侧重联紧密相关。这一发现加深了我们对太阳风能量如何通过磁层亚暴这一过程在近地空间存储和突然释放的理解，对于构建更精确的空间天气模型、预测地磁扰动对卫星运行和地面电网等基础设施的潜在影响具有重要的科学意义。
