磁层压缩期间能量电子的损失和压缩极光的关系

The compression of the Earth's magnetosphere by the increased solar wind dynamic pressure can cause many severe spaceweather perturbations, such as the increase of satellite "killer electrons", the growth of various waves and the auroral brightenings(termed "Compression aurora"). The previous studies mainly focus on the acceleration of energetic particles (keV～MeV) during the magnetospheric compression. The recent observations found that the fluxes of energetic electrons decrease remarkably in some compression regions during the dynamic pressure enhancement.However, both the loss mechanism of energetic electrons and the formation process of compression aurora are not yet clear so far. Based on the multi-satellite observations and the numerical simulations, this project will mainly investigate the influences of the "magnetopause shadowing", the loss cone variation of charged particles,and the wave-particle resonant interactions on the energetic electrons, and the relationship between the energetic electron loss and the auroral activity during the magnetospheric compression. The relevant studies are very important for fully understanding the influences of the magentospheric compression on the energetic electrons and the auroral activity.

增强的太阳风动压压缩地球磁层能够造成许多激烈的空间天气扰动事件，譬如卫星"杀手电子"的增多、各种波动的增强和极光的点亮（俗称"压缩极光"）等等。以前的研究主要考察了磁层压缩期间能量粒子(keV～MeV)的加速机制。最近几年的观测发现，磁层压缩不仅可以造成一些压缩区域能量电子通量的增加，而且可以造成另外一些压缩区域能量电子通量的显著减小。不同的电子变化应该和不同区域的电磁环境的变化有关。但是，相关的电子损失机制和压缩极光的形成过程都不清楚。本项目将利用多卫星观测（GOES、LANL、RBSP、CLUSTER、THEMIS、IMAGE和POLAR）结合数值模拟的方法，主要研究磁层压缩期间磁层顶屏蔽效应、粒子损失锥变化和波粒相互作用在能量电子损失中的贡献，以及能量电子损失和极光活动的关系。相关的研究有助于全面认识磁层压缩对能量电子和和极光活动的影响。

磁层压缩可以造成不同区域高能粒子的加速或损失、以及压缩极光的增亮。但是，相关的粒子损失机制和压缩极光的形成过程都不清楚。本项目主要分析了辐射带高能粒子在磁层压缩期间发生的多种损失过程、以及太阳风动压变化对压缩极光、亚暴极光和亚暴电子注入的影响。研究取得的重要进展有：（1）增强的太阳风动压或行星际激波导致向阳面磁层顶向地球方向移动，从而触发辐射带外边界附近高能粒子的漂移损失（也称作“磁层顶阴影效应”），同时压缩增强的ULF波可以驱动昼侧高Ｌ区高能粒子向外的径向扩散，最终造成全球漂移轨道上高能电子数的减少。磁层压缩增强的高能电子漂移损失可以造成地球同步轨道附近亚暴电子注入现象的消失。（2）磁层压缩可以造成不同极化性质EMIC波的增长，但是观测显示只有左手极化的EMIC波造成了高能电子的沉降损失，而右手和线性极化的EMIC波对高能电子的影响并不明显。（3）即使在一个磁暴急始相期间，压缩增强的EMIC波、等离子体层嘶声和ULF波就可以联合地造成高能电子的投掷角扩散损失和向外的径向扩散损失。（4）快磁声波在等离子层顶里面的高等离子体密度区域主要加速400keV能量以下的电子，因而它并不影响等离子体层嘶声造成相对论电子（> 500keV）的投掷角扩散损失。(5) 显著的太阳风动压波动（约0.5 – 3nPa）不仅调节着昼侧压缩极光的亮度，而且还会改变夜侧亚暴极光弧的纬度位置。压缩增强的等离子体波诱发的keV电子或质子沉降被认为是导致压缩极光变亮的一个重要原因。（6）和等离子体波造成电子的投掷角扩散损失相比，损失锥在压缩前后的改成对高能电子的影响是可以忽略的。这些研究成果在国际学术期刊上正式发表了9篇SCI论文（Q1区8篇，Q2区1篇）。GRL评审专家认为 “该结果对理解太阳风-磁层不稳定性（包括粒子和波动）耦合的因果关系是非常重要的”。其中一篇文章被JGR作为高闪光论文发表，同时被美国地球物理学会（AGU）官网作为地球和空间科学（EOS）新闻报道。另外，北京航空航天大学新闻网在2017年6月10号也做了详细的报道。