近地磁尾薄电流片动力学研究

以高分辨率多点卫星观测数据的分析和理论解析模型为主要手段，对近地磁尾特征尺度为离子Larmor半径或惯性尺度量级的薄电流片动力学过程进行深入的研究。拟在对薄电流片的起源及其生存的外部条件，形态及其演化规律等详尽考察的基础上，揭示出电流片位型与粒子动理学特性间的物理联系，建立非绝热粒子与片平衡态的自洽相互作用的物理图象，它不仅能加深我们对电流片这一特殊等离子体平衡态自身基本物理问题的认识；同时还有助于揭示出电流片动力学与磁暴和亚暴等磁尾能量转换过程的内在联系。

本项目利用双星和Clsuter星簇卫星探测数据对近地磁尾薄电流片的动力学过程进行了深入的研究。我们首次在越尾薄电流片中找到了非绝热粒子作用量散射导致薄电流片电流分布偏离通常的Harris平衡态的观测证据，揭示了其特殊的电流分布与非绝热粒子动力学过程相互作用的物理联系。在此电流片中，氧离子含量远高于典型值，并成为占主导地位的载流子。由于其回旋半径与电流片厚度在同一量级，非绝热的氧离子在片中心区会受到离心力的作用而产生相位聚束效应，即其运动由通常的回旋运动变为非绝热的混沌运动而导致其磁矩量发生显著变化。对应于此运动特性，粒子的越尾电流携带能力也随之发生改变，最终导致薄电流片电流分布偏离通常的Harris平衡态， 即在赤道面附近的晨-昏与地-尾两个方向上都表现为分叉型分布，片中心区的电流密度最小。我们的研究成果因而在坚实的观测证据的基础上揭示了典型的分叉型薄电流片平衡态的微观物理成因。此外，我们还考察了与薄电流片相关的非线性漂移阿尔芬气球模的演化过程，利用双星探测数据观测到新的空间非线性等离子体结构，即大幅度的非线性漂移阿尔芬气球模所演化形成的压缩阿尔芬孤子。在此基础上发展了一个适用于具有磁场与等离子体非均匀性的实际磁层环境的低频波动理论模型，得到了描述非线性地磁脉动压缩分量演化的KdV型孤子方程，揭示了其磁场平行分量来源于具有梯度与曲率的磁力线位移而非通常均匀磁场背景下的等离子体压缩效应的物理本质。应用实际的磁场与等离子体非均匀性参数得到的理论结果与卫星观测数据有相当好的符合。此结果不仅提供了新的空间非线性等离子体结构观测现象，同时也扩展了我们对薄电流片大尺度不稳定性物理过程的理解。