边界动力学能够控制系统物质、能量和动量的动态平衡，以及系统内多圈层耦合效率。对于地球空间系统来说，从外到内存在磁层顶和等离子体层两个重要边界。磁层顶动力学主要由太阳风与地球磁场相互作用决定，受到太阳风、激波、磁鞘喷流等周期性或脉冲性轰击会产生全球或局部的磁层顶压缩和恢复，其中磁层顶的周期性快速震荡模式可能形成磁层顶表面本征模。等离子体层顶动力学主要由共转电场和对流电场相互作用决定，受到磁暴期间增强对流电场的作用而快速剥蚀后退，随后缓慢填充恢复。亚暴高能粒子能够在等离子体层顶附近激发多种尺度的边界动力学现象，包含各种波动、不稳定性和结构等。当亚暴高能粒子注入具有超低频的周期性特征时，在昏侧等离子体层顶上可能激发等离子体层顶表面波（PSWs），其表现为昏侧等离子体层顶的大尺度快速震荡模式。磁层顶和等离子体层顶的这类大尺度快速震荡行为明显优于目前主流模型假设的准静态和缓慢线性变化的边界层条件，对于完善目前空间物理主流的三维全球模型具有重要价值。

PSWs的电离层表现形式为巨型极光波动（GUs）。GUs位于电离层昏侧弥散极光卵的赤道向边界，表现为一类锯齿状或波状的极光形态。虽然PSWs-GUs之间的紧密关系被通过事例和统计分析证实，但两者之间的物理过程和机制并不清楚。前人注意到PSWs能够调制电子回旋谐波和嘶声波的强度，因此猜测后者可以进一步周期性地散射沉降高能粒子形成GUs。由于PSWs-GUs共轭观测难度的限制，目前从PSWs到GUs的完整物理过程和机制仍然悬而未决。

为此，中国科学院地质与地球物理研究所行星科学与前沿技术实验室周一甲博士和何飞研究员等人，联合山东大学（威海）、中国气象局、香港大学、以及美国约翰霍普金斯大学等单位的研究人员，通过磁层-电离层共轭观测对一个中等地磁暴期间的PSWs-GUs现象进行深入分析。研究结果表明，GUs由<1keV的热电子和热离子以及几十keV的高能离子的投掷角散射沉降所直接激发的，散射电子和离子的一个PSW周期内的通量和能量能够决定GUs的尺度和亮度；而这种周期性的电子散射沉降是由PSWs调制的周期性时域结构所造成的。总结来说，昏侧PSWs通过调制时域结构的强度，进而周期性地散射和沉降粒子，最终形成电离层Gus（图1）。这种物理过程明显不同于前人的预测，凸显了PSWs-GUs背后复杂的物理机制。本研究为连接磁层PSWs和电离层GUs构建了物理机制桥梁，揭示了PSWs在磁层-电离层耦合和空间天气中扮演的关键角色。

图1 PSWs调制的时域结构散射电子和离子概念图

研究成果发表于国际学术期刊GRL（周一甲，Pei-Heng Du , 刘健, 史全岐, 郭梦丹, 何飞^*, 张效信, Yong-Liang Zhang, 尧中华, 钟俊, 戎昭金, 魏勇. Giant Undulations Driven by Pitch-Angle Scattering of Time Domain Structures Modulated by Plasmapause Surface Wave[J]. Geophysical Research Letters, 2025, 52(3):e2024GL111782. DOI:10.1029/2024GL111782.）。研究得到国家自然科学基金项目(42222408, 42441809)、中国科技部重点研发计划(2021YFA0718600)和中科院青促进(Y2021027)的联合资助。