参数化研究极风冷离子上行与太阳风能量注入的关系

Ions upflow from the topside ionosphere through many ways. Parts of them escape into the interplanetary space. Those remain in the magnetosphere play an important role in the magnetospheric dynamics. Polar wind consisting of cold ions (low energy and low temperature), not only exists for long time, but also is controlled by the solar wind energy inputs. The Earth's intrinsic magnetic field prevent the polar cap ionosphere from being directly affected by the solar wind. Two indirect mechanisms are attributed to the energization of the polar cap ionosphere by the solar wind. One is the Joule heating in the polar ionosphere powered by the ring current and polar ionospheric current during periods of geomagnetic activities. The other is the electron heating due to the electron precipitations to the polar ionosphere from the solar wind. However, the spacecraft charging issues introduce a significant difficulty in measuring the cold ions of the polar wind, and thus in the study of the relationship between the polar wind and the solar wind energy inputs. In this study, we will use the new dataset of cold ions derived from the Cluster measurements to analyze the two mechanisms of energizing the cold ions upflows and how important they are compared to each other. The results of this study will reveal how the solar wind energy inputs and the ion upflow are controlled by the Earth's magnetic fields, and provide us with a new clue for the comparison studies of ion upflows and escapes from planets with and without an intrinsic magnetic field.

电离层顶部离子可通过各种方式上行至磁层，一部分能够逃逸至行星际空间，其余在磁层动力学过程中起到非常重要的作用。极风是冷离子（低能量和低温度）上行的重要形式，不仅持续存在，而且受到太阳风能量注入的控制。由于地球磁场的存在，太阳风不能直接接触极盖区电离层，使得这种控制作用主要通过两种间接的方式进行：一种是地磁活动增强时伴随环电流和极区电流增强的电离层焦耳加热；另一种是太阳风电子在极区的沉降导致的电子加热。但是，卫星表面充电效应给测量极风冷离子带来了极大困难，也制约了研究其与太阳风能量注入的关系。本项目将利用Cluster卫星间接测量冷离子的新技术构建极风数据库，分析两种能量注入方式与低能离子上行的关系，并分别找出其主要物理机制。研究结果将揭示地球磁场对太阳风能量注入和离子上行关系的调节作用，为比较研究有磁行星和无磁行星上的离子上行和逃逸提供新的线索。

极风是冷离子（低能量和低温度）上行的重要形式。它不仅持续存在，而且受到太阳风能量注入等因素的控制。由于卫星表面充电效应，研究极风冷离子面临极大的困难。本项目利用了Cluster卫星间接测量冷离子的新技术构建极风数据库。在此基础上，我们分析了目前已知的能量注入方式与冷离子上行的关系，并找出了其主要物理机制。我们研究了：1）太阳风以及太阳光辐射与极风冷离子上行之间的能量转化；2）地球磁场强度变化对极风冷离子上行的影响；3）地球极区电离层测量加速电场的方法。主要的结果有：1）太阳风能量与地球磁场强度变化对极风冷离子上行的能量转化效率约为0.1%；2）太阳风能量注入功率较低时，离子上行的主要能量来源为太阳光辐射；3）地球磁极的方向和强度变化都能影响的极风冷离子上行；4）提出了一种测量加速离子上行的电场仪原理。这种仪器拟采用目前已有的技术，可在比较短的时间内用于空间探测任务。这些工作为我们研究地球磁场变化对大气成分演化的影响提供了重要线索。