径向行星际磁场下磁层-电离层状态研究

Under radial interplanetary magnetic fields(IMF)，the convective electric field in the solar wind disappears under frozen-in constrains. Thus, the magnetosphere-ionosphere system will act largerly differently, which has not been fully understood. In this proposal, we will use global magnetohydrodynamic(MHD) simulation and in-situ observations to study the magnetosphere-ionosphere activies in-depth. The main issues that we are focusing on include: how and where the magnetic reconnection occurs, the formation of the low-latitude boundary layer, the exciting of the Kelvin-Helmholtz instability, the polar cap precipitation and the possible north-south asymmetry.This study will improve our understandings of solar wind-magnetosphere-ionosphere interactions and the related space weather effect.

径向行星际磁场下,太阳风对流电场在磁冻结条件下消失.此时的磁层-电离层系统因此将变得极为不同, 但这一磁层-电离层状态尚缺乏研究者的充分了解.本项目将利用全球数值模拟和多卫星局地观测相结合的方式对径向行星际磁场下的磁层-电离层状态进行深入研究.具体研究内容包括磁场重联的发生和相关磁层对流,低纬边界层的形成和开尔文-亥姆霍兹不稳定性的激发,太阳风等离子体向磁层的输运过程,极区离子沉降以及可能的南北半球间的不对称性等等.此项研究将有助于我们提升太阳风-磁层-电离层相互作用的理解,深化对该行星际条件下相关空间天气的认识.

在本项目中，我们利用ACE卫星对1998年-2017年期间长时间IMF 准径向时的太阳风进行了筛选，共得到持续时间2小时以上的事例900余个，持续超过6小时事例90余个。这个事件库的建立为后续研究径向IMF下的太阳风-磁层相互作用打下了坚实基础。随后，在IMF 准径向情形下，我们利用Cluster卫星对太阳风等离子体直接进入高维磁层是否存在南北半球不对称性，利用Themis和MMS对磁层顶边界层的一些物理过程进行了研究。其中利用Themis卫星，我们重点关注了一个磁层顶日下点重联事件，并重构了重连电流片的几何结构。由此我们推测出重联发生的位置，这与MHD模拟的结果相一致。.此外，我们对磁层亚暴期间的大尺度电流体系进行了分析。一个三回路的电流模型被揭示，随后的定量分析发现这些电流系并不是孤立存在的，而是相互耦合的电流体系。.最后，我们还重点关注了磁层顶小尺度磁绳中波粒相互作用对电子输运的影响。我们发现低混杂波可以在磁绳边界对电子进行有效横向输运，而动力学阿尔芬波可以有利于电子沿着磁场方向进行输运。