低纬边界层（LLBL）是太阳风与行星磁层之间进行质量、动量和能量传输的关键区域，其中的能量转化过程尚不清楚。为进一步揭示低纬边界层的能量转化机制，我院周猛教授研究团队利用磁层多尺度（MMS）卫星在局部重联非活跃期间对地球内低纬边界层中的反常磁拓扑亚层（AMTSs）进行了深入研究，并取得重要研究进展。相关研究成果以“Energy Conversion Associated With Anomalous Magnetic Topology Sublayers in the Inner Low‐Latitude Boundary Layer”为题，在地球物理学Top期刊、自然指数期刊Geophysical Research Letters上发表。他们首次发现AMTSs在内低纬边界层中可以导致显著的能量转化，并揭示了相关的能量转化机制。这些发现提升了对行星LLBL动力学过程的理解，突出了AMTSs在太阳——行星相互作用过程中对物质和能量交换所起的关键作用。

图1. MMS1在GSM坐标系中对内低纬边界层亚层的观测。（a）全方向，（b）平行和（c）反平行电子全微分能量通量的能谱图，（d）平行和反平行电子全微分能量通量的对数比，（e）总磁场，（f）电子数密度，（g）总压强（黑色）、磁压强（红色）、离子热压（蓝色）、电子热压（绿色），（h）电子整体流速度，（i）电子温度。基于电子平行-反平行各向异性，事件被黑色实线划分为六个亚层。

如图1所示，MMS观测到了内低纬边界层中的AMTSs。它们的基本特征包括亚层之间几乎不变的电子数密度，以及由于不同来源电子的占主导而形成的显著的电子温度梯度。课题组得到的关键结论如下：（1）AMTSs在内低纬边界层中普遍存在；即使在局部重联不活跃的时期，它们也能被观测到。（2）内低纬边界层中的这些AMTSs会导致显著的能量转化（如图2所示）。（3）这些AMTSs中的非理想电场由亚层之间电子温度梯度产生的压强梯度贡献。

图2. 与内边界层亚层相关的能量转化。（a）磁场三分量，（b）电子整体流速度，（c）-（e）通过两种方法计算的电流密度的L、M、N分量：) 和 ，（f）非理想电场的三个分量，（g）能量转化的三个分量 和（h）。

研究结果表明，AMTSs在空间和时间上都扩展了磁场重联对磁层顶动力学过程的影响。在空间上，即使磁场重联只发生在地球磁层顶的高纬度区域，它们依然可以通过AMTSs显著影响整个内低纬边界层的物质运输和能量转化；在时间上，如果AMTSs是由低纬局地磁场重联产生，该局地磁场重联停止后AMTSs也能持续存在，促进物质运输和能量转化，这使得AMTSs能够维持重联对磁层顶的长期影响。这也表明AMTSs在太阳——地球相互作用导致的能量转化过程中可能比重联扩散区更重要。此外，由于LLBL在各个行星磁层顶边界层中普遍存在，这一AMTSs主导的基本能量转化和物质输运过程预计也在其他太阳——行星系统中普遍存在。

学院硕士研究生钟平为论文第一作者，钟志宏特聘研究员为论文的通讯作者。该工作获得国家自然科学基金项目（42104156，42130211，42474213，42074197）和江西省自然科学基金项目（20224BAB211021）支持。

论文链接：

https://agupubs.onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1029/2024GL112664