在地球磁层空间中存在一种沿磁场方向流动的空间电流，人们称之为场向电流。场向电流可沿磁力线，由磁层下行流入极区电离层，与电离层电流闭合后，又由极区电离层上行流向磁层空间中（图1）。场向电流在太阳风-磁层-电离层的耦合体系中具有重要的作用，它既是磁层空间电磁能量传输的主要通道，也是空间等离子体物质输运的重要桥梁。
图1 地球磁层空间中场向电流的结构示意图
地球的大尺度场向电流依据其分布形态大体可以分为三类：1区场向电流，2区场向电流，以及NBZ场向电流（图2）。地球场向电流通过电离层完成闭合。1区场向电流从晨侧流入电离层，从昏侧流出电离层；2区场向电流则分布在1区场向电流的赤道侧，它从昏侧流入电离层，从晨侧流出。NBZ场向电流在正午附近1区场向电流的极向侧，从午后流入电离层，从午前流出电离层。大量研究表明，地球场向电流的分布会显著受太阳风磁场方向的调制。
图2 三种大尺度的地球场向电流。(a)1区场向电流，(b)2区场向电流，(c)NBZ场向电流。(d)1区和2区场向电流在极区的分布。(c)1区和NBZ场向电流在极区的分布
大量研究表明，水星虽具有与地球磁层类似的磁层结构，但水星本身却不具有电离层。由于缺乏电离层电流的闭合，所以长期以来人们通常认为水星不具有地球那样的大尺度场向电流。然而近年来，通过对信使号数据的统计分析，人们发现水星空间可能同样存在大尺度场向电流。为了使水星场向电流闭合，有人提出水星场向电流可穿透到行星内部，通过水星内部导电物质完成闭合（图3）。
那水星场向电流是不是真的能通过星球内部导电物质闭合？若能，那水星内部物质导电率的高低如何影响场向电流的建立？建立起来的场向电流分布形态会不会也显著受控于外部太阳风磁场的方向？具体如何受控，与地球的一样吗？
图3 水星场向电流的统计分布（左上），其闭合路径（左下），以及水星磁层示意图（右）
由于目前水星的卫星观测数据非常有限，对于水星场向电流的这一系列重要科学问题还没法从观测上给予确切回答。为深入研究水星场向电流，分析水星内部电导率剖面和太阳风磁场方向对水星场向电流分布的影响，中国科学院地质与地球物理研究所的石振博士后与合作导师戎昭金研究员等，联合瑞典于默奥大学、瑞典空间物理所、美国密歇根大学、波士顿大学等多位国际学者，使用等离子三维混杂模拟程序对水星场向电流开展了系统研究。他们模拟分析了三种不同水星星体电导率剖面和六种不同太阳风磁场方向对水星场向电流的影响。
模拟结果显示，水星高电导率的核有助于场向电流闭合，但要建立起显著的场向电流，水幔和水壳的电导率也不能过低。在高电导率水核与平均电导率为
量级的水幔水壳组成的电导率剖面下，水星场向电流可以显著建立。模拟结果还显示，水星同样会出现三类大尺度的场向电流结构：1区、2区和NBZ场向电流。水星场向电流对太阳风磁场方向的响应与地球场向电流相似，但2区场向电流的响应方式则有所不同。在地球上，2区场向电流在太阳风磁场南向时候更显著，在北向时稍弱；而模拟显示，水星2区场向电流在太阳风磁场南向时几乎不出现，而北向时，则显著存在。这是一个非常有意思的发现，可能与水星夜侧的等离子体带有关，不过仍需进一步的观测证据。
此外，模拟还显示，在水星大尺度场向电流中，1区场向电流占主导，这与前人的统计结果是一致的。模拟显示，1区场向电流从晨侧流向水星，穿透水壳和水幔后与高电导率的水核接触，并在水核表面向昏侧传导，在昏侧电流穿出水幔和水壳，进而流出形成1区场向电流的另一支（图4）。另外，对模拟结果的计算分析还发现，水星1区场向电流的闭合需要水星提供
的有效电导，这与前人通过观测数据计算到的
是接近的。
图4 水星场向电流在晨昏平面内分布的模拟结果
从模拟结果来看，水星磁层虽与地球磁层相似，但也具有一些独特性。相似性体现在二者都拥有三种大尺度的场向电流，并且场向电流对太阳风磁场方向的响应与地球的比较类似。而独特性体现在水星场向电流需通过星球内部来完成闭合，水星2区场向电流在北向太阳风磁场条件下更为显著。需要注意的是，目前这些研究结果是基于有限水星观测和数值模拟的推理，还需要进一步的观测数据加以佐证和深入分析。这也为即将入轨的贝皮科伦布水星探测计划提供了重要的科学参考。
研究成果发表于国际学术期刊 JGR: Planets（石振,戎昭金*， J.,Fatemi,S.,董川飞,Klinger,L.,高佳维,J. A. Slavin,何飞,魏勇,M. Holmström,S. Barabash. Mercury's field‐aligned currents: Perspectives from hybrid simulations[J]. Journal of Geophysical Research: Planets, 2025,130: e2024JE008610. DOI: 10.1029/2024JE008610.）。研究受到中国科学院战略性先导科技专项（XDB 41000000)，国家自然科学基金项目（41922031,41774188），中国科学院地质与地球物理研究所重点部署项目（IGGCAS-201904,IGGCAS-202102），中科院重点部署项目（ZDBS-SSW-TLC00103）的资助。
石振（博士后）
