磁层粒子沉降及其对磁层－电离层体系的作用

The ionospheric conductivity is mostly contributed by the auroral precipitation, induced from the wave-particle interaction in the inner magnetosphere. The ionospheric conductivity plays important roles in controlling the magnetosphere-ionosphere (MI) system. However, current geospace weather modeling efforts are limited in specifying the auroral conductivity in their models, mainly because the models are incapable of calculating the particle precipitation flux from the MHD models. But rather, these models adopt empirical functions or use MHD parameters to estimate the precipitation flux and hence the conductivity. We propose to build a more self-consistent ionospheric conductivity module in the space weather modeling system, by first obtaining the precipitation flux from the kinetic ring current model and then specifying the auroral conductivity. With this newly implemented conductivity module in the coupling system, we will investigate the relationship between the particle precipitation and plasma waves in the magnetosphere, the contribution of particle precipitation to the ionospheric conductivity. In addition we will examine how the ionospheric conductivity controls the following processes, including the ionospheric electric potential and convection, the ring current formation and intensity, the magnetospheric configuration, and the magnetotail flow, in order to achieve a better understanding of the coupled MI system.

磁层中波粒相互作用导致的投掷角散射致使磁层带电粒子沉降至电离层，是极光区电导率的主要来源。电离层的电导率对电离层－磁层耦合体系起着重要的作用。但是目前的地球空间天气模式中由于无法计算沉降粒子的分布而对电离层电导率的设置存在极大的局限性。它们通常采用常数或者从磁流体参数中估算磁层沉降粒子强度来设定电离层电导率，并不是从真正的沉降粒子分布出发得到。本项目计划在空间天气模式中建立一个基于物理过程的磁层沉降粒子所引发的电离层电导率计算模块，完善电离层－磁层体系的自洽耦合模式。利用该改进的更具物理原理的耦合模式，运用国际著名的空间天气模式SWMF框架，本项目将分析粒子沉降与磁层等离子体波的关系，粒子沉降对电离层电导率的贡献，并着重研究电导率的演化如何影响电离层电位、对流，以及磁层环电流强度，磁尾对流和形态，从而进一步理解磁层－电离层耦合关系。

准确地描述电离层电导率是空间天气预报模式中一个亟需解决的难题。空间天气预报模式通常由全球磁层模型与电离层电动力学模型相耦合组成，应用磁流体力学（MHD）流体方程来描述磁层动力学。这些方程无法用电离层热层的化学反应关系来描述电离层电导率，所以空间天气模型都是运用各种近似方法来估算电离层电导率，因此在准确模拟磁层-电离层体系上还远远没有达到自洽耦合模式。使它们受限的原因是因为这些磁层数值模型无法模拟极光区粒子沉降这一物理过程。本项目利用能够模拟磁层粒子沉降这一物理过程的内磁层动力学模型改进了空间天气模式中的磁层电离层耦合模式，完成了主要的研究任务，包括：（1）在磁层环电流物理模型中新增一个基于物理过程的极光区电导率模块，（2）对比不同的电离层极光区电导率设置形式，（3）探究不同设置对于电离层电势、电流体系、电场等的影响，（4）研究电导率在磁层动力学中的作用，并与卫星观测数据进行比较。此外，基于最新的模型，我们还拓展了更自洽的模式形式并以此研究物理现象，比如电离层低高度的高度电离现象以及电导率的双层结构。该项目极大地推动了空间天气预报模式在电离层磁层耦合的自洽性，揭示了粒子沉降对电离层的重要作用。