近日，南方科技大学地球与空间科学系叶生毅教授团队联合香港大学、兰卡斯特大学、伦敦大学学院等单位合作者，在国际学术期刊《自然通讯》（Nature Communications）发表题为“Dawn-dusk Asymmetrical Distribution of Saturn's Cusp（土星极尖区的晨昏非对称分布）”的研究论文。该研究利用卡西尼号（Cassini）探测器的原位观测数据，结合高分辨率磁流体动力学（MHD）数值模拟，首次实现了对土星磁层极尖区全球分布的系统统计研究，揭示了其显著的晨昏非对称性，从根本上不同于地球极尖区以正午为中心的对称分布，与木星昏侧极尖区的最新发现高度吻合。

行星磁层由太阳风与行星内部磁场的持续相互作用形成，在太阳系各行星之间呈现出显著差异。与主要受太阳风驱动的地球磁层不同，土星磁层具有更强的内部驱动特征——土星本体自转周期约为10.5小时，磁层中还存在南北半球不对称的10.6至10.8小时、随季节变化的调制周期；再加上卫星恩克拉多斯持续向磁层注入等离子体，这些因素共同塑造了土星磁层的整体动力学行为。磁层极尖区（Cusp）是磁层中一个至关重要的漏斗形区域，太阳风粒子可经磁层顶磁场重联后沿该区域直接进入行星高层大气，在极光形成、磁暴及亚暴等空间天气过程中扮演关键角色。在地球磁层中，极尖区通常对称分布于地方正午附近。然而，土星的快速自转如何从根本上改变极尖区的全球分布，此前一直缺乏系统的统计观测研究。

图1.太阳风驱动的地球磁层（a）与快速自转的土星磁层（b）构型简要示意图，其中土星磁层极尖区的全球分布图像在本研究前尚未明确

此前，研究团队基于NASA朱诺号（Juno）探测器原位观测图像，发现木星极尖区并非分布于传统认知中的昼侧正午区域，而是显著偏向黄昏甚至夜侧，与全球高精度MHD模拟所揭示的木星独特三维磁场拓扑相吻合。这一发现扩展了以地球类比为基础的行星极尖区传统认知框架，揭示了快速旋转的巨行星复杂的全球磁层构型。

在此项研究中，研究团队系统分析了卡西尼号探测器2004至2010年的原位观测数据，综合运用磁力计（MAG）、电子能谱仪（CAPS-ELS）和离子质量谱仪（CAPS-IMS）等仪器测量信息，建立了核心判据与辅助判据相结合的极尖区识别标准：以高纬度区域（磁纬度>30°）内的磁鞘类电子能谱特征为核心判据，辅以离子色散、场向电子分布和抗磁减弱等特征。基于此，研究团队最终识别出67例土星极尖区事件，相较于以往研究报道显著增加约11例，地方时覆盖范围也从此前研究涉及的约9–15时拓展至约8–21时。

图2.2004年至2010年间67个土星极尖区事件的统计全球分布

对各地方时段高纬度驻留时间进行归一化处理后，研究人员发现土星极尖区的全球发生率分布呈现出显著的晨昏不对称性：发生率峰值出现在午后13–15地方时，与地球极尖区的峰值位置（11–13地方时）相比明显向黄昏侧偏移；尤为引人注目的是，研究人员还在昏后约20地方时识别出多例极尖区事件，与木星的最新极尖区观测位置一致。对土星昏后极尖区事件的等离子体分析表明，其能谱特征与木星昏侧极尖区高度相似，提示快速自转巨行星的极尖区可能具有共同的微观物理机制。

为揭示上述晨昏不对称性的物理根源，研究团队与香港大学张彬铮教授和尧中华教授团队合作，进一步利用高分辨率全球MHD模拟（基于GAMERA模型，磁层顶附近分辨率约0.1–0.2土星半径）对土星磁场拓扑结构进行了数值重现。模拟结果表明，在快速自转驱动的磁通量输运作用下，闭合磁通量在正午前扇区显著积累，局部磁压增大，导致晨侧磁层顶比昏侧向外膨胀约1–2个土星半径，形成非对称的磁层顶构型；由于极尖区在结构上锚定于此磁场拓扑，其全球分布随之整体偏向黄昏侧，并可延伸至昏后，与卡西尼观测完全一致。此外，模拟结果进一步揭示，受快速自转驱动的不对称磁层构型影响，土星磁层顶重联主要由行星际磁场东西分量（IMF By）驱动，而非地球磁层顶重联中占主导地位的南北分量（IMF Bz），二者在磁层顶耦合模式上存在根本差异。

图3.原位探测数据揭示的地球（a）与土星（b）极尖区发生率分布，以及MHD模拟展示的地球（c）与土星（d）磁层顶附近磁场构型对比

综上所述，该研究通过系统观测与高分辨率数值模拟的有机结合，首次给出了土星磁层极尖区的全球统计分布图像，揭示了快速自转和内部等离子体源对巨行星磁层全球构型的深远影响。研究成果与木星昏侧极尖区的最新发现相互印证，共同构建起快速自转巨行星有别于地球的共同太阳风–磁层相互作用物理机制的比较行星学框架，为未来木星和土星极尖区的深入探测，以及太阳系内外旋转行星系统磁层研究提供了参考和理论指导。

论文第一作者为南科大博士后许严，研究工作在香港大学尧中华教授和南科大叶生毅教授的共同指导下完成。南科大为论文第一单位。通讯作者为尧中华教授。合作者包括香港大学张彬铮教授、英国兰卡斯特大学（Lancaster University）Sarah Badman副教授、Licia Ray高级讲师和英国伦敦学院（UCL）Andrew Coates教授等。该研究得到了国家自然科学基金、中国博士后科学基金、香港研究资助局（RGC）等多项基金的联合资助。

文章链接：https://www.nature.com/articles/s41467-026-69666-9

供稿：地球与空间科学系

通讯员：黄惠婧

编辑：任奕霏