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周一甲等-GRL：地磁暴期间的锯齿极光的统计特性

太阳风携带质量、能量和动量进入地球空间时，需要先后经过磁层顶和等离子层顶两个边界，关于磁层顶的研究已经十分详细，对于等离子层顶，由于卫星高度的限制，研究相对较少。等离子体层顶是冷热等离子体的交界面，其外部被动态的环电流所包裹，存在一系列不稳定的特征。根据磁场模型，环电流会沿磁力线映射到电离层，形成特殊的弥散极光，通过探究这类特殊形态的极光，就可以间接研究等离子层顶。

锯齿极光（巨型波动）就是这类极光的代表之一。锯齿极光于1982年被Lui等首次发现，是磁暴期间的一种常态现象，在磁层-等离子层-电离层的能量耦合方面起着重要作用，其振幅和波长分别为40-400km和200-900km，它们向日侧移动时的速度约为每秒几百米，数值模拟显示，锯齿极光可能是由亚极光极化流驱动的剪切不稳定性导致。何飞等（2020）在Nature Communications的研究表明，当环电流周期性注入挤压陡峭的等离子层顶时，能够形成等离子层顶表面波（PSW），散射高能粒子发生沉降从而产生锯齿极光，但是，研究展示了锯齿极光的大体形成过程和与之相伴的一系列特征，尚未详细解释锯齿极光的物理驱动机制，如锯齿极光的演化模式和普遍特征是什么，触发和控制PSW产生和演化的因素有哪些？

中国科学院地质与地球物理研究所博士研究生周一甲、导师何飞研究员，与魏勇研究员、尧中华特聘研究员以及国家卫星气象中心的张效信研究员等合作，利用DMSP卫星长期的极光观测数据，从统计学角度探究了锯齿极光在磁暴期间的大体特征，得出了3个主要结论：

（1）锯齿极光通常出现在磁暴主相开始后1-4小时，结束于磁暴峰值附近的 4小时范围内（图1）；

（2）锯齿极光的波长和振幅与磁暴强度近似成正相关，且波长和振幅也呈正相关（图2）；

（3）锯齿极光的夜侧边缘在其演化过程中基本保持似稳定状态（图1）。

锯齿极光的活动性代表了磁暴期间内磁层最重要的两个边界——等离子体层顶和等离子体片内边界附近发生的复杂的物质和能量转移转化过程。研究发现锯齿极光的夜侧边缘在演化过程中基本保持稳定位置，表明激发波源处于基本固定的位置，其蕴含的物理机制有待进一步通过磁层-等离子体层-电离层耦合模型来揭示，这对于进一步完善内磁层空间天气模型具有重要意义。

图1 巨型波动发生的时间和空间统计图

图2 巨型波动特征与磁暴强度的拟合图

研究成果发表于国际权威学术期刊Geophysical Research Letters（周一甲，何飞*，张效信，尧中华, 魏勇, 张永良. Statistical characteristics of giantundulations during geomagnetic storms[J]. Geophysical Research Letters, 2021,48: e2021GL093098. DOI:10.1029/2021GL093098）。本研究得到国家自然科学基金项目（41931073, 41774152）、中科院A类先导专项项目（鸿鹄专项，XDA17010201）和中科院地质与地球物理研究所重点部署项目（IGGCAS-201904）等项目的资助。