电离层-磁层耦合体系大尺度场向电流研究

Basing on the data obtained by Cluster and Double Star coordinate observation, the large scale Field Aligned Currents (FACs) distribution, charged particle dynamics and magnetic disturbance in Ionosphere-Magnetosphere coupling (I-M coupling ) system will be studied to understand mechanism for triggering and development of the large scale FACs in the I-M coupling. The main content are the studies：on the large scale FAC distribution properties in different regions in the I-M coupling system, on its response to the storm and substorm processes, on the concerning charged particles dynamics and magnetic disturbance, and on their physics mechanism. This application project has characteristics or innovations as that it is first time to use the multi-satellite coordinate measurements data (especially the simultaneous observation data in deferent region along the field line from the polar ionosphere to the magnetosphere) to study the Large scale FACs properties, and to study the FACs mechanism with FACs disturmance, magnetic disturbance and charged particles dynamics data analysis together. The study in this applying project is significant to recognize the time series of the storm / substorm and charged particle dynamics. It is benefit to further study on the I-M coupling to recognize the coupling chains in the space weather study. It is also benefit to the space weather model development.

拟利用Cluster和双星的协调探测数据，研究电离层-磁层耦合体系中大尺度场向电流的分布以及相应的带电粒子动力学特性和磁场扰动变化特性，以理解电离层-磁层耦合体系中大尺度场向电流产生和发展的物理过程；主要研究内容为：电离层-磁层耦合体系中不同区域大尺度场向电流分布特性，大尺度场向电流发生发展过程及其对磁暴亚暴的响应，与大尺度场向电流相应的磁场扰动和带电粒子动力学过程，大尺度场向电流的物理机制；其创新和特色为：首次以多卫星协调探测数据（特别是在大尺度范围内同一时间探测数据）分析为基础研究电离层-磁层耦合体系中的大尺度场向电流，首次把协调探测的场向电流扰动、磁场扰动和带电粒子动力学过程结合起来分析研究其物理机制。这不仅对认识亚暴磁暴的时序变化和粒子动力学过程具有重要的科学意义，也为进一步研究电离层-磁层耦合的物理机制打下基础，同时对于认识空间天气学因果链关系和模型建立也具有重要的意义。

从地球磁尾到极区的场向电流在磁层-电离层耦合过程中起着非常重要的作用。由于以前卫星轨道的局限性，研究者只能根据卫星在某些局地区域的探测数据来对其开展研究。Cluster卫星与双星计划卫星的多点协调探测，为获取从磁尾到极区各个区域的探测数据从而进一步研究场向电流提供了一个非常重要的机会。为此提出了本项研究，拟利用Cluster和双星的协调探测数据，研究电离层-磁层耦合体系中大尺度场向电流的分布以及相应的带电粒子动力学特性及其与磁场扰动变化的关系，以理解电离层-磁层耦合体系中大尺度场向电流产生和发展的物理过程。本项目主要研究了：电离层-磁层耦合体系中不同区域大尺度场向电流分布特性，大尺度场向电流发生发展过程及其对磁暴亚暴的响应，与大尺度场向电流相应的磁场扰动和带电粒子动力学过程，大尺度场向电流的物理机制。本项的创新特色在于首次以多卫星协调探测数据分析为基础研究电离层-磁层耦合体系中的大尺度场向电流，首次把协调探测的场向电流扰动、磁场扰动和带电粒子动力学过程结合起来分析研究其物理机制。其主要结果具体在于：给出了极区空间场向带电粒子沿经度和纬度的分布特点，给出了极尖区场向电子（包括来自太阳风和来自电离层的）通量和能量分布特性及其动力学特性，电离层粒子的源区特性，磁尾等离子体片边界层区带电粒子特性及其对场向电流的贡献，行星际磁场对磁尾场向电流密度以及发生率的影响, 亚暴期间从磁尾等离子体片边界层区到极区沿磁力线的不同区域大尺度场向电流的同时观测数据分析（首次给出了从磁尾到极区的大尺度场向电流的同时观测证据）。本项目的研究不仅对认识亚暴磁暴的时序变化和粒子动力学过程具有重要的科学意义，也为进一步研究电离层-磁层耦合的物理机制打下了坚实基础，同时对于认识空间天气学因果链关系和模型建立也具有重要的作用。