磁暴期间环电流－高纬电离层耦合研究

环电流－高纬电离层耦合是太阳风－磁层－电离层耦合链中最重要的环节之一，一直以来都是空间物理学研究的重点和热点。近些年来，该方面的研究呈现数值模拟多而观测分析少的不平衡发展态势，而且最近发表的一些观测特征与相应模拟结果之间存在严重分歧，如内磁层穿透电场的持续时间问题。本项目计划使用空间与地面多点联合观测的方法，以磁暴时内磁层电场发展过程作为切入点，有针对性地研究当前的一些焦点问题，如太阳风条件对环电流－高纬电离层耦合的控制、磁暴－亚暴关系以及超级磁暴环电流增强机制的特点。本研究将突出两个前沿性工作：一是统计太阳风动压对环电流－高纬电离层耦合电流回路的控制规律，二是分析亚暴动力学对内磁层电场的影响。由于电场在内磁层与电离层之间可以通过闭合磁力线相互映射，本项目将完善一个引入了内磁层作用的电离层电场模型，使之能够根据不同太阳风条件计算全球电离层电场扰动，有助于丰富空间天气预报方法。

环电流－高纬电离层耦合是太阳风－磁层－电离层耦合链中最重要的环节之一，一直以来都是空间物理学研究的重点和热点。本项目使用空间与地面多点联合观测的方法，以磁暴时内磁层电场发展过程作为切入点，有针对性地研究了一些关键问题，完成了所计划的研究任务。同时，我们也对一些相关的前沿问题做了探索性研究。在本项目的支持下，一共发表了9篇SCI论文，其中包括JGR和GRL论文7篇。本项目所取得的主要成果有：（1）发现一种新的电场耦合状态，我们将之命名为“Goodshielding”。在过去40多年里，人们已经熟知内磁层电场存在两种状态，一种是或“欠屏蔽（Undershielding）”，另一种是“过屏蔽（Overshielding）”，分别对应于穿透电场和屏蔽电场的两种不平衡状态。现在我们所发现的，正是穿透电场和屏蔽电场的平衡状态。（2) 归纳了行星际磁场南转北的变化速度与屏蔽状态变化的关系。我们的结果表明，这个关系并非如经典理论所预测的那样规则，而是具有很多不确定性。（3) 我们发现在某些特定条件下，IMF在遇到磁层顶所产生的方向旋转会对磁层-电离层耦合有重要效果。这一结果能够帮助理解使用行星际磁场来预测地磁活动时出现的不确定性。（4) 找到了超级磁暴期间太阳风密度控制赤道电离层电场的证据。我们发现当跨极盖电势降饱和期间，赤道电离层电场受太阳风密度的控制，而非行星际电场或磁层对流电场。这一发现对现有的太阳风-磁层-电离层耦合理论提出挑战，我们也给出了可能的理论解释。（5) 探讨了夜侧赤道地磁场对穿透电场的响应机制及观测特征。地磁场在日侧对穿透电场的响应可以通过赤道电集流的变化来理解，而事实上在缺乏赤道电集流的夜侧同样存在类似的响应。我们对这种响应的观测特征做了归纳和总结，同时对其产生原因也做出了解释。（6) 探讨了亚暴期间场向电流的产生机制。当地向流到达近磁尾减速转向时，高速流前端引发的压缩波会导致压强产生波状分布，并形成晨昏向压强梯度，进而引起场向电流以及对应的极光弧活动。除了这些工作，我们还进行了一些探索性的工作，主要包括：（7)研究了电离层经向四波结构与大气潮汐耦合。（8) 通过地球和火星上卫星同时观测资料，找到地磁场保护大气层的一个关键证据。（9) 研究了太阳风极为稀薄的条件下，金星电离层的膨胀效应。这些工作在发表后受到好评，部分工作得到欧洲空间局的学术评价部门的赞赏。