上行离子源区分布与极尖区三维位形的关系研究

Particle heating and transport is the main mechanism of magnetosphere ionosphere coupling. In this work, based on the criteria given in previous studies, we intend to investigate the spatial and temporal distribution characteristic and its geomagnetic disturbed times variation of ionospheric upflows. We also intend to study the energy factor in controlling the upflow source region distribution and the flux magnitude, then to discuss the acceleration mechanism of ionospheric upflow. We want to construct empirical regression model of upflow event occurrence frequency on solar wind parameters and IMF components, to give the physical explanations on dayside high magnetic latitude low energy upflows and nightside aurora high energy upflows. In addition, our previous study has shown that dayside near-noon high magnetic latitude and cusp region provide substantial ions to the magnetosphere. Therefore, our project intends to find the cusp 3D configuration dynamic evolution characteristics during a geomagnetic storm event by using LFM model simulation result. The properties of cusp include cusp equatorial boundary, cusp poleward boundary, cusp latitudinal width, cusp longitudinal width, meridian and dawn–dusk opening angle, gradient and flatness. We also intend to calculate the correlation coefficient between above cusp properties and solar wind magnetosphere coupling functions, such as the half wave rectifier vBS, ε parameter, Kan–Lee electric field EKL, and EWAV. In this work, we want to introduce variable Rl (Cusp cross-sectional area) and Rl (Cusp radical length) in order to construct the functional relations between cusp cross-sectional area, radical length and solar wind, IMF parameters, to analyze the dayside magnetic merging rate and the degree of magnetic field compression, at the solution domain –5≤X≤10RE, –5≤Y≤5RE, –10≤Z≤10RE. We will combine the simulation result and observations to construct the relationship between the source region distribution of ionospheric upflows and the cusp 3D configuration.

本项目拟使用卫星观测数据，基于电离层离子上行事件的判定方法，计算离子上行事件发生率和净能通量，研究其空间分布和磁扰时变化特征，分析离子能量因素对通量大小和空间分布的影响，以此为基础研究日侧高纬极尖区低能上行离子和夜侧极光椭圆带高能上行离子加热和传输过程的异同，建立离子上行通量随地磁扰动指数、太阳风等参数之间的经验模型。本项目前期研究结果表明磁正午高磁纬度区域是净能通量较大的离子上行源区，故本项目拟利用LFM磁流体模型模拟磁暴期间极尖区的三维位形特征，通过引入参数Rs（Cusp cross-sectional area）、Rl（Cusp radical length）建立极尖区横切面面积、径向长度随太阳风参数和行星际磁场（IMF）变化的函数关系，以量化日侧磁重联率和磁场压缩程度；最后，结合模拟结果与卫星观测，建立极尖区上行通量峰值分布与极尖区位形的相关关系。

电离层外流离子是地球磁层的主要等离子体源，特别是在地磁风暴期间。利用与电磁能量输入、电子沉淀和极低频等离子体波有关的各种参数，研究了它们与日侧高纬度极尖区离子外流中的相关关系和因果关系。在使用数据之前，我们首先重新校准了FAST/TEAMS仪器的数据。研究表明电磁能量输入是驱动氧离子流出的最佳控制因素，而电子沉淀是驱动质子流出的最佳控制因素。与Alfvén波相关的能量输入也显示出很强的相关性。能量输入的最大值显示出比平均值更好的相关性。氧离子是这次地磁暴的主要外流物质，平均而言，其通量是质子外流通量的三倍。随着向地球电离层输入更多的能量，可以观察到更高的比率。准静电场的Poynting通量与O+流出的相关性最高，而电子数通量与H+流出的相关性最好。阿尔芬波在加速外流方面起着至关重要的作用。平均通量比为3.0而且该通量之比与Poynting磁通正相关，表明O+通量随能量输入而增大。 ..介绍了一种经验模型用以描述电离层逃逸离子能通量和逃逸事件发生率磁纬向分布特征。研究发现，离子逃逸事件发生率的纬向分布有两个极大值点，分别位于高纬度极间区（日侧）和中纬度极光加速区（夜侧占主导），使用加权的高斯函数拟合发生率的分布。观测研究表明，极光软电子沉降（典型能量<300 eV）和离子横向加速（波粒相互作用）是2000-4200 km高度上离子获能的主要机制，场向电流的平行加速在4200 km以上高度开始占据主导作用，成为离子加速主要机制。..该研究给出的经验关系可提供依赖于磁地方时、季节的离子外流通量与各能量输入参数之间的关系，并用于提供全球磁流体模拟时的离子逃逸速率，尤其是与Poynting通量的关系，因为该参数通常可以在模拟过程中输出。