亚暴期间近磁尾电场与等离子体对流关系研究

The process of mass and energy transport from near-Earth magnetotail into inner magnetosphere is a foundamental issure in magnetosphere study, in which the electric field in the near-Earth magnetotail play an important role. In this project, THEMIS Cluster data in the near-Earth region along with other ISTP project satellites and ground -based magnetic field data will be used to statistically study the distribution of near-Earth magnetotail electric field. Further study of the small scale structure of electric field will benefit from the constellation configeration of THEMIS satellites and Cluster satellites. The project will provide a exciting opportunity to systematically study the behavier of the small scale structure and the interaction between the structure and the BBF and dipolarization front as well. This has the potential for revealing the physics under the particle accelaration in the injection process during subtorm, which will supply the highest fidelity determination of the energy transport mechanism to date. From statistical study to plenty of electric field data in the near-Earth magneotail, one can judge which model fits the observation better by checking the boundary condition and the variation of the flux of the energetic particle in the geosynchronous orbit. According to these results, improve can be made to the injection model. This project will undoubtedly add values to the understanding of particle accelaration in the inner magnetosphere and energy transport process, thus shining light on the substorm trigering and storm ring current formation mechanism issures, and give new insight into space weather study.

磁层物质及能量如何从磁尾输运到内磁层及电离层是磁层研究中的基本问题之一。近地磁尾电场在这些物质和能量输运过程中起着关键性作用。特别是小尺度的脉冲电场对内磁层高能粒子通量突增过程具有重要作用。本项目拟通过对THEMIS卫星近地磁尾数据及Cluster卫星数据进行统计及个例分析，结合国际日地物理计划(ISTP)其他卫星观测资料及地磁台站数据，深入研究近地磁尾对流电场的分布特性，并充分利用THEMIS及Cluster卫星小尺度多点观测的优势深入研究小尺度的脉冲电场动态行为及其与BBF和偶极化过程的相互作用。揭示近地磁尾电场与高能粒子通量突增的内在物理联系，进一步认识近地磁尾向内磁层能量输运过程的物理机制。通过大量近地磁尾电场的观测检验现有物理模型,进而通过数值计算完善粒子输运与加速模型。项目的实施将有助于揭示磁层亚暴的触发机理和磁暴环电流的形成机制，并为我国空间天气研究提供重要参考信息。

磁层亚暴是地球空间重要的能量传输释放过程，几十年来一直是国际日地空间物理学研究的重要课题。近地中性线模型重点研究了亚暴期间近地磁尾的磁场重联引起的磁能释放过程，磁层电离层耦合模型揭示了电离层电流体系对亚暴的影响。本项目着眼于电场在亚暴能量释放中的作用，利用Cluster，Themis等卫星的电场等数据，结合地面观测，对电场在亚暴期间的变化特征进行了初步的研究。我们分别对行星际电场，电离层电场及磁尾等离子体片电场与亚暴的关系做了统计分析，得到如下的初步结果。利用行星际电场和Themis在磁尾的观测，将亚暴时序分为两类，I类亚暴对应于大的行星际电场，亚暴表现为极光Onset早于近地磁尾的重联及磁场偶极化，O类亚暴则是在行星际电场较小期间，亚暴Onset晚于近地磁尾的偶极化及磁场重联。这两种亚暴时序对应的电离层对流模式有明显区别。我们利用SuperMag全球地磁台站数据对SMU和SML地磁指数与电离层对流电场和电导率的关系进行了研究，结果表明SML主要是由夜侧电离层对流电场控制，而SMU则主要是由电离层电导率调制。我们统计了2万多个SML的磁亚暴Onset发生位置与电场的关系，发现亚暴Onset发生位置主要以子夜0时附近和晨侧4时附近为两个峰值。当行星际电场及电离层对流电场增强时，亚暴Onset倾向于发生在晨侧4时附近的南向电场增强区，反之则多发生于子夜附近的极光椭圆带，由粒子沉降导致的电导率增强区。行星际电场增强期间也会引起磁暴的发生，对磁暴期间磁尾高速流电场和非磁暴期间磁尾高速流电场的对比研究表明，在磁暴期间，磁尾高速流电场也明显增强，平均大于20mV/m，而非磁暴期间的高速流电场平均不到10mV/m。进一步的研究发现，电场主要集中在高速流内部，并且越靠近地球，高速流电场越大，表明磁尾高速流减速不是由电场引起的，而主要是由于在近地的压强梯度导致的高速流减速和转向。通过本项目的研究，我们认为电场在亚暴触发过程中起到了重要的控制作用，我们将对电场的具体控制机制做进一步深入的研究。