水星是距离太阳最近的行星，拥有和地球类似的全球性磁场，但其偶极场中心并不位于行星中心，而是向北偏离～0.2水星半径。尽管水星磁场强度在赤道表面比地磁场低两个数量级，但仍能把太阳风阻挡在水星表面以上，形成和地球相似磁层结构。普遍认为，分钟时间尺度的“Dungey Cycle”是其磁层物质能量输运的主要模式：太阳风磁场通量通过向阳侧磁层顶磁重联被传输进入磁层；磁尾磁重联将磁能进行释放，其中一部分通过对流回到向阳侧磁层，驱动空间等离子体大尺度对流循环，从而控制行星空间与行星际物质和能量的交换运输。然而，基于“信使”号观测和全球MHD数值模拟，中国科学院地质与地球物理研究所钟俊副研究员、国家空间科学中心谢良海副研究员及合作者发现太阳风可以从晨侧直接注入水星近磁尾，形成南北半球空间粒子分布不对称性。

水星近磁尾太阳风注入事件的观测特征显著区别于通常情况下的尾瓣等离子体“空穴”区。如在轨道3601（图1左），稠密低能离子充满南半球（BX < 0）区域，而在轨道3333（图1右）发生在北半球（BX > 0）区域；这些太阳风粒子可以深层注入到近磁尾电流片处。通过分析202个穿越水星近磁尾电流片的轨道数据，发现37个类似事件。统计分析表明这些事件在空间上更易发生在晨侧（图2a）；倾向出现于强行星际磁场条件下（图2b）；粒子注入南或北半球与所处行星际磁场扇区结构密切相关（图2c）。

图1 水星近磁尾南北半球密度不对称观测事例。（a,a'）磁场大小,（b,b'）磁场三分量,（c,c'） H+能谱,（d,d'）低能H+计数率,（e,e'）H+数密度,（f,f'）H+温度

图2 水星近磁尾南北半球密度不对称观测事例统计结果。（a）事件空间分布;（b）行星际磁场强度分布；（c）行星际磁场BX和BY分布。灰色：所有分析的202个近磁尾电流片穿越事件；绿色：薄电流片事件；蓝色：南半球密度高的事件；红色：北半球密度高的事件;紫色=蓝色+红色

全球MHD模拟再现了近磁尾南北密度不对称特征。结果显示，位于行星际磁场向阳扇区，水星南半球磁尾连接至上游太阳风，太阳风粒子通过该窗口进入近磁尾（图3a-图3c）；在行星际磁场背阳扇区磁尾南北情况相反（图3a'-图3c'）。由于行星际磁场“帕克螺旋”和在磁尾晨侧方向的磁拖曳，导致太阳风从晨侧注入，解释了南北密度不对称现象更易发生在晨侧的观测结果。此外，水星偶极磁场北向偏置导致太阳风进入南半球效率更高，使得在行星际磁场背阳区，中磁尾或远磁尾区域这种南北密度不对称变得不明显。

图 3 MHD全球模拟结果。（a,a'）磁场线在子午面的投影；（b,b'） X=−2 RM处YZ剖面上的磁场向量及离子密度；（c,c'） Y=−1.2 RM处XZ剖面上的离子速度向量。（a-c）:位于行星际磁场向阳扇区；（a'-c'）:位于行星际磁场背阳扇区。白色箭头：太阳风离子沿磁力线注入近磁尾示意

该研究表明：对于强太阳风驱动的水星弱磁层，行星际磁场的扇区结构可能对磁层等离子体输运过程至关重要；尤其在强行星际磁场条件下，磁尾南北半球的物质与能量输运可能显著不同。欧空局和日本联合的BepiColombo卫星计划即将开启水星空间等离子体环境的高质量、多仪器、太阳风-磁层-外逸层多区域的联合探测。水星独特的空间等离子体环境，以及各圈层耦合等一系列科学问题将有待于进一步深入认识。

研究成果发表于GRL（Zhong J, Xie L, Lee L C, et al. North–south plasma asymmetry across Mercury's near-tail current sheet[J]. Geophysical Research Letters, 2024, 51: e2023GL106266. DOI: 10.1029/2023GL106266.）