近地磁尾等离子体片动力学过程分析研究

The near-earth magnetotail is the key region where mass and energy are restored,conversed and eruptively released during magnetic storms and substorms. It is the natural lab for many basic plasmas processes.Chinese Double Star Project,European Cluster, and USA THEMIS satellites have achieved abundant data related to the global evoluation of geomagnetotail. All these projects provide us an unique opportunity to solve the important problems in the dynamic processes of the near-earth magnetotail.This project will deeply investigate and study the formation, the structure and the evolution of the near-earth magnetotail and its roles in substorms,by analysing the conjunctional observations by Double Star Project, Cluster,Themis, Meridian Space Weather Monitoring Project, SuperDARN, and EisCat. We expect to solve the following basic theoretic problems.: the formation and global structure of the near-earth plasma sheet,the structure and stability of the magnetotail current sheet,the transportation of the mass in the tail during the quiet and storm-time intervals, the mechanism for triggering the substorms and the development of the substorms.This research is very valuable for space physics and space weather, and can found the solid base for the predictions of the space storms in magnetosphere.

近地磁尾是亚暴和磁暴过程中物质和能量储存、转化和爆发性释放的关键区域，许多基本等离子体过程的天然实验室。中国地球空间双星探测计划和Cluster 四点卫星探测，已经获得了大量的珍贵的磁尾全球过程的探测数据，THEMIS 成功发射入轨,这些都为近地磁尾动力学问题的解决提供了难得的机遇。本项目将通过对双星,Cluster和THEMIS等卫星计划以及子午工程，中山站，SuperDan, EisCat等地基台站的全球联合探测的协同分析，对近地磁尾的形成、结构、演化以及在亚暴过程中的作用进行深入探索和研究，期望解决磁尾等离子体片的形成过程与全球结构，磁尾电流片的结构与稳定性，平静和暴时磁尾物质的输运过程以及亚暴的触发机制和发展过程等基本理论问题。本项目研究对空间物理和空间天气学具有重要的理论价值，并且能够为磁层空间暴的预报建立重要观测和理论基础。

本项目致力于分析研究磁尾动力学机制。.提出了利用任意颗卫星、任意卫星位形的探测数据分析计算电流密度、流场涡度等的原创性方法，具有很高的通用性。运用自主研发的3维MHD模拟分析，揭示IMF北向与南向时磁尾等离子片粒子注入机制，发现磁尾等离子片粒子在IMF北向时主要来源于太阳风，而南向时电离层是重要来源；证实IMF By在磁尾的穿透效应。利用多卫星观测分析揭示磁层顶边界层K-H涡旋的观测特征及其与太阳风向磁尾等离子片传输的关系。.基于多卫星观测数据分析，得出地球磁尾电流片的磁场结构的一般特征，建立了一个中性片磁力线经验模型。数据分析发现磁尾重联扩散区的粒子曲率散射导致粒子各向同性分布特征，证实了其Hall系统结构；得出磁尾多X线重联的产物-等离子体团具有不同的精细磁场结构和电流分布特征。通过卫星实测分析确证约60%磁尾通量绳事件为准无力位形结构；估算了近地磁尾等离子体片的反常电阻率。数据分析得出亚暴期间地球磁尾瓣磁场结构的变化特征，获得不同强度孤立亚暴下磁尾磁通量的变化规律，所建立磁尾磁通量计算方法可应用于亚暴磁尾磁能储存和释放的分析和监测。数据分析发现，磁层亚暴的触发和磁能耗散点由近地向磁尾移动，在此过程中磁尾磁能间歇释放；而磁尾磁能释放后向地球方向传输，向内磁层注入，同时所激发等离子体涡旋驱动亚暴场向电流。.通过直接探测定量化确认磁暴期间内磁层磁场拓扑结构的变化；首次从多卫星观测数据直接得出磁层环电流的全球分布。基于地面多地磁台站的连续观测数据，推算地球附近磁暴扰动场的空间结构和时间变化，进而得出磁暴环电流能量粒子全球分布的演化规律，从而实现利用局部地面台站的观测数据持续监测磁暴对称指数SYM-H和非对称指数ASY-H的演化，具有重要空间天气应用价值。自主开发了在磁层粒子暴全球分布动态演化的高精度数值模式，具有较好的完备性。.本项目已经按计划完成了研究目标和任务。