近日，前沿交叉科学青岛研究院空间天文物理融合研究中心、“从太阳风暴到地球极光”集成攻关创新团队在地球磁场空洞方面取得系列进展，研究成果分别以“Expected EMIC Wave Generation and Unexpected MS Wave Disruption in a Magnetic Dip”、“Test Particle Simulations of the Butterfly Distribution of Relativistic Electrons in Magnetic Dips”为题，发表在空间物理国际期刊Journal of Geophysical Research: Space Physics上。山东大学（青岛）博士研究生赵盈盈为两篇论文的第一作者，朱辉教授为通讯作者，山东大学为唯一完成单位。

磁场空洞是磁层空间中的局地磁场强度凹陷结构，通常出现在距离地心4-6倍地球半径的黄昏和夜侧区域，其主要由磁尾注入的环电流质子或电子通量增强引起。而环电流的注入常常激发电磁波，特别是与质子相关的电磁离子回旋（EMIC）波和快磁声（MS）波。因此，在观测中，磁场空洞常常伴随着丰富的波动现象。个例观测结合理论分析表明，在磁场空洞中，环电流质子能够同时激发EMIC波和MS波。此外，磁场空洞会显著改变辐射带相对论电子的运动轨迹，导致投掷角90°附近通量减少，形成典型的“蝴蝶”投掷角分布。因此，磁场空洞被认为在环电流-辐射带耦合中扮演着重要角色，对于波粒相互作用有着很好的补充。但目前对磁场空洞中不同等离子体波活动及电子蝴蝶分布的演化特征，仍然缺乏充分的理解。

朱辉教授带领课题组成员，基于范艾伦探测器对等离子体和波动的全面观测，首次发现了磁场空洞中与以往认知不同的等离子体波动现象。研究显示，在由环电流质子注入引起的局地磁场强度下降约25%的磁场空洞事件中，同时观测到了预期的EMIC波产生和意外的MS波中断（如图1所示）。通过线性理论估计，我们发现了磁场空洞对EMIC波和MS波活动的不同影响。

课题组进一步利用范艾伦探测器的长期电子通量观测数据，并结合试验粒子模拟，详细研究了电子投掷角分布在磁场空洞中的演化特征。模拟成功再现了磁场空洞中电子的蝴蝶状投掷角分布（如图2所示），结果表明在相同条件下，能量较高的电子更容易形成蝴蝶状投掷角分布，这与观测结果一致。此外，参数化研究表明，蝴蝶分布的形成受到多种因素影响，包括电子的能量、位置、初始通量分布，以及磁场空洞的位置和深度。特别是，辐射带中背景电子通量的负径向梯度分布对于形成这种特殊的投掷角分布起到了至关重要的作用。该系列工作深化了对磁场空洞与等离子体波活动及电子投掷角分布演化之间相互关系的理解，同时突显了其在环电流-辐射带耦合中的重要作用。

朱辉教授一直致力于内磁层中波粒相互作用和磁场空洞的系统研究，取得了系列成果，在美工作期间关于磁场空洞的研究也曾获得NASA的日球层客座研究员的项目支持（作为项目负责人）。该系列论文受国家自然科学基金、山东省自然科学基金和山东大学齐鲁青年学者基金联合支持。原文链接：https://doi.org/10.1029/2023JA031776,https://doi.org/10.1029/2024JA032546。

图1：2015年11月3日范艾伦探测器B观测到的磁场空洞事件概述