長期以來，空間天氣界一直在尋求空間天氣的“最壞情形”，以用于空間天氣研究和效應(yīng)的基準(zhǔn)。就地磁暴而言，問題歸結(jié)為Dst指數(shù)的極限值。從理論角度，完全消除地磁場需要Dst約為-31000nT，現(xiàn)實(shí)中遠(yuǎn)遠(yuǎn)無法實(shí)現(xiàn)?？紤]到地球偶極磁場對(duì)磁層膨脹的限制，Dst上限可修改為-2500nT。然而，這些研究都沒有考慮太陽風(fēng)作為地磁暴的外部驅(qū)動(dòng)能夠達(dá)到什么極限。
　　與此相關(guān)的三個(gè)太陽風(fēng)參數(shù)為南向磁場、速度、密度（依重要性排序），它們關(guān)系著太陽風(fēng)能量進(jìn)入磁層的效率和對(duì)磁層的壓縮程度。半個(gè)多世紀(jì)的太陽風(fēng)就地測量表明，2000 km/s、100nT、100cm-3 可分別作為地球附近的太陽風(fēng)速度、磁場和密度的參考上限。顯然，地磁暴“最壞情形”取決于這三個(gè)參數(shù)如何同時(shí)達(dá)到各自上限。
　　為此，研究人員此前提出“完美風(fēng)暴”機(jī)制以同時(shí)增強(qiáng)這些太陽風(fēng)參數(shù)。而作為“完美風(fēng)暴”的特例，研究人員進(jìn)一步揭示空間天氣中的一種新現(xiàn)象——“鞘層中的行星際日冕物質(zhì)拋射”（ICME-in-sheath）。即一個(gè)ICME卡在后面拋射物與其激波之間，后者被稱為“宿主拋射物”（圖一）。ICME-in-sheath本質(zhì)上是一個(gè)完全激波過的（shocked）ICME，經(jīng)過激波和宿主拋射物的壓縮，其磁場、速度、密度同時(shí)增強(qiáng)。由于約束在激波和宿主拋射物之間，ICME-in-sheath將長時(shí)間保持太陽風(fēng)參數(shù)增強(qiáng)，因此可具有強(qiáng)地磁效應(yīng)。ICME-in-sheath中磁場強(qiáng)度平均達(dá)到44nT以上，盡管南向磁場持續(xù)時(shí)間很短，但卻引起了Dst為-221nT的大磁暴。
　　研究人員結(jié)合遙感和就地觀測，鑒定出多個(gè)事例，發(fā)現(xiàn) ICME-in-sheath的典型特征為：持續(xù)時(shí)間相對(duì)較短，1AU處為幾個(gè)小時(shí)；內(nèi)部磁場和其他參數(shù)可保持長時(shí)間增強(qiáng)；典型ICME特征經(jīng)常缺失。宿主拋射物可為單一ICME或復(fù)合拋射物。這些結(jié)果澄清了以前把ICME-in-sheath作為正常鞘層區(qū)域的誤解。預(yù)計(jì)ICME-in-sheath是一種常見現(xiàn)象，特別是在太陽活動(dòng)高峰?？紤]到它的物理特性，其地磁有效性將高于典型的ICME、鞘層等。
　　基于這一現(xiàn)象，研究進(jìn)一步提出地磁活動(dòng)的可能上限。2012年7月23日的ICME-in-sheath與太陽風(fēng)預(yù)調(diào)效應(yīng)結(jié)合，產(chǎn)生的速度為2000km/s以上，磁場110 nT，密度近150cm-3，同時(shí)達(dá)到各自歷史極限值（圖二）。這很可能是1AU處最強(qiáng)的太陽風(fēng)驅(qū)動(dòng)。計(jì)算表明，磁層頂可被壓縮至離地心3.3地球半徑處，遠(yuǎn)遠(yuǎn)低于地球同步軌道（6.6地球半徑），大量通訊、導(dǎo)航、定位、天氣服務(wù)等衛(wèi)星將失去磁層保護(hù)，受到太陽風(fēng)和高能粒子的直接攻擊。原則上，地磁暴Dst指數(shù)可達(dá)到-2000nT。相比之下，1859年的卡林頓風(fēng)暴僅為-850nT，而太空時(shí)代以來最強(qiáng)的地磁暴（1989年3月）僅為-589nT。
　　論文發(fā)表于The Astrophysical Journal Letters。空間中心研究員劉潁為論文第一作者和通訊作者。 
　　論文鏈接
　　圖一：地球附近太陽風(fēng)就地觀測。ICME-in-sheath（IIS）位于宿主拋射物的鞘層中，具有增強(qiáng)的磁場、速度、密度。
　　圖二：STEREO A觀測到的ICME-in-sheath（IIS）和宿主拋射物，具有超強(qiáng)的磁場、速度和密度。