太陽風攜帶質量、能量和動量進入地球空間時，需要先後經過磁層頂和等離子層頂兩個邊界。關於磁層頂的研究已較詳細，對於等離子層頂，由於衛星高度的限制，相關研究相對較少。等離子體層頂是冷熱等離子體的交介面，其外部被動態的環電流包裹，存在一系列不穩定的特徵。根據磁場模型，環電流會沿磁力線對映到電離層，形成特殊的彌散極光，透過探究這類特殊形態的極光，就可以間接研究等離子層頂。
鋸齒極光（巨型波動）是這類極光的代表之一。鋸齒極光於1982年被Lui等首次發現，是磁暴期間的一種常態現象，在磁層-等離子層-電離層的能量耦合方面發揮重要作用，其振幅和波長分別為40-400 km和200-900 km，它們向日側移動時的速度約為每秒幾百米，數值模擬顯示，鋸齒極光可能由亞極光極化流驅動的剪下不穩定性導致。何飛等（2020）在Nature Communications上發表的研究成果表明，當環電流週期性注入擠壓陡峭的等離子層頂時，能夠形成等離子層頂表面波（PSW），散射高能粒子發生沉降從而產生鋸齒極光，但是，該研究展示了鋸齒極光的大體形成過程和與之相伴的一系列特徵，尚未詳細解釋鋸齒極光的物理驅動機制，如鋸齒極光的演化模式和普遍特徵是什麼？觸發和控制PSW產生和演化的因素有哪些？
中國科學院地質與地球物理研究所博士研究生週一甲及其導師、研究員何飛與地質地球所研究員魏勇、特聘研究員堯中華和國家衛星氣象中心研究員張效信等合作，利用DMSP衛星長期的極光觀測資料，從統計學角度探究了鋸齒極光在磁暴期間的大體特徵，得出了三個主要結論：（1）鋸齒極光通常出現在磁暴主相開始後1-4小時，結束於磁暴峰值附近的±4小時範圍內（圖1）；（2）鋸齒極光的波長和振幅與磁暴強度近似成正相關，且波長和振幅也呈正相關（圖2）；（3）鋸齒極光的夜側邊緣在其演化過程中基本保持似穩定狀態（圖1）。
鋸齒極光的活動性代表了磁暴期間內磁層最重要的兩個邊界——等離子體層頂和等離子體片內邊界附近發生的複雜的物質和能量轉移轉化過程。研究發現鋸齒極光的夜側邊緣在演化過程中基本保持穩定位置，表明激發波源處於基本固定的位置，其蘊含的物理機制有待進一步透過磁層-等離子體層-電離層耦合模型來揭示，這對於進一步完善內磁層空間天氣模型具有重要意義。
相關研究成果以Statistical characteristics of giant undulations during geomagnetic storms為題，發表於Geophysical Research Letters。研究工作得到國家自然科學基金專案、中科院戰略性先導科技專項（A類）和地質地球所重點部署專案等的資助。
圖1.巨型波動發生的時間和空間統計圖
圖2.巨型波動特徵與磁暴強度的擬合圖
來源：中國科學院地質與地球物理研究所
