行星边界动力学是控制行星系统多圈层能量耦合效率的关键因素，当受到外源或内源扰动时，在边界层附近会产生一种周期性的本征频率的震荡模式，沿着磁力线向南北电离层传播、反射和叠加，形成接近场向驻波的特征，被称为表面波。由于表面波具有全球尺度特征，并且能够和全球模共振和场线共振发生能量耦合，因此能够直接或间接地调控整个行星空间的粒子能量和电磁能量分布。
监控这种边界动力学能够诊断整个行星系统对太阳风的响应程度。但是由于探测这种全球尺度的表面波需要多卫星联合共轭观测，而且也容易受到其他频率接近的超低频波的叠加干扰，因此目前为止边界层表面波的直接观测证据仍然十分稀少。为此，研究者一直期望寻求能够准确反映边界动力学的系列电离层特征，其中绚丽多彩的极光就是一个非常合适的选择。
在一系列由不同磁层源区、不同加速机制、不同电离层背景所共同决定的且随时间、空间、尺度快速演化的纷繁复杂的极光中，要准确识别边界表面波的效应极其困难，以至于磁层顶表面波的电离层极光特征时至今日仍未确定，而位于等离子体层顶附近的等离子体层顶表面波直到近年来才被确定为一种锯齿极光。虽然等离子体层顶表面波——锯齿极光被观测到具有同样的周期和环向传播速度，但是表面波是如何将这种特殊震荡信号传播到电离层极光这一核心中间过程并不清晰。
为了解决这个问题，首先要精确探究直接形成锯齿极光的粒子沉降模式。中国科学院地质与地球物理研究所地球与行星物理院重点实验室博士生周一甲与导师何飞研究员等，对一次中等地磁暴期间锯齿极光的电离层特征进行了综合分析。之所以能分析，是因为四颗DMSP卫星和一颗NOAA卫星在30分钟的时间内依次穿过了不同锯齿结构的上方(图1)。通过对低能和高能沉降粒子、磁场扰动、伴随的亚极光极化流、场向电流等特征的研究，研究人员确定了锯齿极光上方存在的特殊的粒子沉降特征(图2)，主要研究结论如下:
(1)锯齿极光是由两区域粒子沉降模式所点亮，其主体核心区域主要是由高能粒子沉降所驱动，其边缘是由低能电子(<1 keV)所驱动；
(2)除了<30 keV的粒子沉降，锯齿极光的发生也伴随着高达几百keV的高能质子和电子沉降，这表明表面波可以促进高能粒子沉降向更低纬度区域沉降；
(3)首次提供了锯齿极光尺度随亚极光极化流强度的正相关演化证据；
(4)锯齿极光上方磁场三分量被同时剧烈扰动，符合前人证明的成熟表面波是由极化波、挤压波和共转波耦合而成的一种复合波。
图1 2015年9月7号多颗极轨卫星短时间内依次穿越锯齿极光示意图
图2 DMSP和NOAA卫星穿过锯齿极光观测到的电离层参量特征图。(a)质子极光图像；(b)LBH波段极光图像；(c)电子沉降能谱；(d)离子沉降能谱；(e)电离层背景等离子体密度；(f)电子和离子温度；(g)离子漂移速度；(h)磁场扰动；(i)场向电流；(j-m)高能电子和质子通量
综上，该研究首次呈现了等离子体层顶表面波发生期间的粒子沉降特征，预示发生表面波是局地存在复杂的波粒相互作用，这对于进一步理解内磁层边界动力学具有重要意义。
研究成果发表于国际学术期刊GRL (周一甲，何飞*，Xiao-Xin Zhang，Yong-Liang Zhang，刘立波，尧中华，戎昭金，魏勇. Special particle precipitation signatures over giant auroral undulations during the 7 September 2015 geomagnetic storm[J]. Geophysical Research Letters, 2024, 51(14): e2024GL109849. DOI: 10.1029/2024GL109849.)。本研究得到国家自然科学基金项目(42222408, 41931073)、中国科技部重点研发计划(2021YFA0718600)和中科院青促会(No. Y2021027)的联合资助。
