“磁洞”是指在太空中观测到的、短时间内磁场明显降低而方向变化不大的等离子体结构。早在1977年Turner等人就在太阳风中发现了磁洞结构，后来，人们在地球磁鞘、行星磁鞘、以及彗星腔体(comet cones)等环境中，相继发现了磁洞结构。

本工作利用Cluster卫星数据，在磁层极尖区观测到了磁洞结构，利用Cluster四颗卫星的独特优势以及定量的速度和方向的计算，我们确认卫星观测到的是空间结构，即一个个的磁洞结构依次穿越了卫星，而非边界摆动或者磁场瞬时变化所导致的时间效应。在结构中间，我们观测到了磁场的显著降低，同时伴随着等离子体密度的显著上升。

在以往的研究中，人们认为磁鞘和太阳风中的磁洞往往是由镜像模不稳定性（mirror instability）引起的，镜像模不稳定性一般激发于于高beta（等离子体热压和磁压之比）等离子体中，并且还需要离子的垂直温度高于平行温度。通过对比，我们发现我们观测到的磁洞结构与磁鞘和太阳风中的磁洞结构有诸多类似之处。因为地球极尖区的beta值很小，而且各向异性条件不强，所以在当地难以激发镜像模不稳定性，因此我们认为可能是磁鞘中发展到非线性阶段的镜像模结构传播进入了极尖区。因此极尖区观测到的磁洞结构可能和近地太阳风以及磁鞘中的磁洞（或者是镜像模结构）有一定的联系。

本工作主要由来自我中心、北京大学、捷克科学院、中科院空间中心、美国航空航天局（NASA）、以及英国和法国著名实验室的科学家合作完成。相关研究结果已被美国知名期刊J. Geophys. Res.—Space Physics接收，并于近期发表[Shi, Q. Q., et al. (2009), Spatial structures of magnetic depression in the Earth's high-altitude cusp: Cluster multipoint observations, J. Geophys. Res., 114, A10202, doi:10.1029/2009JA014283.]，链接：http://www.agu.org/pubs/crossref/2009/2009JA014283.shtml。

本工作对于研究太阳风的质量、动量和能量通过磁层极尖区传入地球磁层、以及研究磁层极尖区的动力学过程，具有一定的意义。磁层极尖区是太阳风向磁层传输等离子体和能量的重要通道，在磁层物理中具有不容置疑的关键地位。以前由于在这一区域合适的探测卫星不多，人们对它所知甚少，而以极尖区为主要探测目标的Cluster和双星TC-2的发射，为我们深入研究极尖区提供了可能。我们的合作者团队正在利用Cluster和双星等多颗卫星的磁场和等离子体观测数据，分析极尖区的动态结构和边界特性，同时结合我们独创的多点探测确定结构维数和速度的分析方法，力图解决人们长期争论的极尖区时间结构和空间结构问题。

本研究得到了国家自然科学基金的支持。

图一：Cluster多颗卫星观测到的一个磁洞结构的示例。我们可以看到，在结构中，磁场的降低伴随着等离子体密度（和温度）的升高。

图二：如何用两颗卫星先从经验上来判断：是边界摆动还是空间结构的穿越。由此可以判断出，图一看到的结构是空间结构。

图三：通过定量的计算，更加确认我们看到的结构是空间结构。图中红色线是结构的前后两个边界，蓝色箭头表示出算出来的边界的运动方向。我们看到结构的前后边界相继穿过了卫星，证实了观测到的是空间结构。

图四：磁鞘中的磁洞结构（或者镜像模结构，mirror结构）进入极尖区的示意图：磁鞘中的磁洞结构，通过磁场重联，随着太阳风等离子体进入了磁层极尖区。