环电流是行星磁层电流系统的重要组成部分，由离子和电子朝相反方向的漂移运动形成，存在于具有内禀磁场的行星周围，如水星、地球、木星和土星。对地球磁层的研究证明了增强的环电流不仅会导致磁暴活动期间的地磁场减弱，而且在全球磁层-电离层耦合中起着至关重要的作用。太阳系气态巨行星(土星和木星)的快速自转和丰富的内源等离子体同样可以产生磁层环电流，但由于有限的卫星轨道覆盖，对环电流长期动态变化的全局研究非常困难。

北京大学空间物理与应用技术研究所乐超研究员课题组利用土星探测卫星卡西尼号(Cassini)上搭载的能量中性原子成像仪研究了土星环电流的长期分布特征，发现由超热等离子体(～24-230 keV)贡献的环电流成分在空间分布和强度上存在近11年的长周期变化，并将这种变化与太阳活动周期相关联，提出太阳活动周期调制土星磁层中等离子体加速与输运过程的可能性。相关成果于近期发表于学术期刊《自然·通讯》(Nature Communications)。

能量中性原子(ENA)是高能带电粒子在磁层中与中性气体交换电荷时产生的，它们保持了原离子的能量和方向并沿直线运动，从而可以通过遥测方式探测，当观测角度合适时，ENA成像可以展示环电流带电粒子的全局分布和动态变化。图1展示了卫星处在高纬度轨道时期的ENA成像在赤道平面投影的统计结果，结果显示环电流超热等离子体的地方时分布和能量密度均存在长期变化，峰值的地方时位置在午夜前和午夜后之间摆动，整体能量密度自2007年起下降，到2013年达到最低，随后在2016年又逐渐恢复。

图1. ENA能量密度在赤道平面上的分布以及环电流超热等离子体成分的长期变化

图2. 环电流超热等离子体成分地方时分布不对称性的长周期变化分析

图3. 环电流超热等离子体成分总能量的长周期变化分析

图2和图3对上述长周期变化分别做出进一步分析，将观测数据分为数据量相当的七个时间段，采用正弦函数拟合得到环电流超热等离子体成分的峰值位置的地方时分布(图2)和环电流总能量(图3)变化周期，结果均约为11年。将环电流变化周期与太阳黑子数比较，发现环电流活动变化与太阳活动周期呈现明显相关性，在太阳活动高年环电流强度更低，峰值位置偏向午夜前，在太阳活动低年则相反。

研究结果表明太阳活动可能调制土星磁层等离子体加速与输运过程。一方面太阳风压缩土星磁层，日侧磁层顶与行星际磁场重联引起的磁尾重联和等离子体注入(Dungey cycle)，与土星自转驱动的磁尾重联和等离子体注入(Vasyliunas cycle)过程相互作用，可能引起环电流地方时分布不对称性的变化；另一方面太阳辐射可以影响土星电离层电导率，并通过共转驱动的场向电流影响磁层中的磁通量管交换过程，从而调制环电流超热等离子体的加热(图4)。此外，类似的长周期变化也存在于土星辐射带和正午-午夜电场中，说明太阳活动的调制可能更广泛地存在于土星磁层中。本研究为太阳活动调制气态巨行星磁层提供了新的视角，并期待能通过未来的木星探测卫星(JUICE)搭载的ENA成像仪展开更进一步的研究。

图4. 土星磁层中的等离子体加速与输运过程以及太阳活动的调制

北京大学地球与空间科学学院空间物理与应用技术研究所博士研究生李一萌为本论文的第一作者，乐超研究员为论文通讯作者。其他合作者还包括密西根大学贾贤哲教授，北京大学孙翌馨博士，宗秋刚教授和周煦之研究员。本工作得到了国家自然科学基金和国家重点研发计划等项目的支持。

论文信息：Li, Y., Yue, C., Sun, Y., Jia X., Zong Q., Zhou X. Energetic neutral atom imaging reveals nearly 11-year cycle of the ring current of Saturn. Nat Commun 15, 10597 (2024). https://doi.org/10.1038/s41467-024-55037-9

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https://www.nature.com/articles/s41467-024-55037-9