极区电离层等离子体块的形成机制和演化特征研究

The various dynamic processes, produced by the solar wind-magnetosphere-ionosphere coupling, can directly project into polar ionsphere along the magnetic field lines and generate various irregularities in the polar ionosphere. The extreme environment of space weather, caused by these irregularities, will directly and/or indirectly effect the human live, communication and navigation. The polar ionospheric plasma patch is the most common irregularity and shows a more wider effection to us. Therefore, it is very helpful to study the formation mechanism and evolution feature of the polar ionsopheric plasma patches for understanding the solar wind-magnetosphere-ionosphere coupling process, and can provide further physical basis for the modeling of polar ionosphere. Based on the good geographic locations of magnetic conjugate between Chinese Zhongshan Station in Antarctic and Yellow River Station in Arctic,this project is planning to study the formation mechanism and evolution feature of the polar ionsopheric plasma patches, and to analyse the relationship between the polar cap patches, tongue of ionization and high latitude plasma trough, by using the measurements from the space science observation systems at Zhongshan and Yellow River Station, coordinated the observations from EISCAT/SuperDARN, GPS receivers and THEMIS/Cluster/Double Star and the relevant models of theory and simulations in the polar ionosphere.

太阳风-磁层-电离层相互作用引起的各类动力学过程可直接映射到极区电离层，在极区电离层产生众多不均匀体结构。这些不均匀体结构所引起的极端空间天气环境将对人类的生产生活、通讯和导航等产生直接或间接影响，其中极区电离层等离子体块最为常见，影响最为广泛。因此，研究极区电离层等离子体块的形成机制和演化特征，将有助于深入理解太阳风-磁层-电离层耦合过程，能为极区电离层建模进一步提供物理依据。本项目拟基于我国南极中山站和北极黄河站白天处在极隙区并形成地磁共轭的优越地理条件，利用站上已有的先进光学、无线电等方面设备的观测数据，结合EISCAT/SuperDARN雷达和GPS 地面接收站的协同共轭观测及THEMIS/Cluster/我国双星等十余颗卫星的协同观测，以及相关极区电离层理论和数值模型，深入研究极区电离层等离子体块的形成机制和演化特征，并探讨和分析等离子块和舌状电离区及高纬等离子体槽之间相互关系。

在本项目的资助下，项目组共获取国际卫星和雷达及GPS TEC数据约2000 GB, 发表标注SCI学术论文12篇，书本章节论文1篇，科普论文1篇，投出学术论文3篇，其中1篇第一作者（通讯作者）论文在《Science》上作为当期唯一的科学论文亮点发表，并受到国际国内媒体的大量关注和报道。项目紧紧围绕《项目计划书》执行，超额完成了项目设定的各项研究目标。主要创新成果包括：a)发现日侧磁场重联是极区电离层等离子体云块形成的主要机制；b) 完整追踪了极区电离层等离子体云块的形成和完整演化特征，发现日侧和夜侧磁重联对极盖区等离子体云块的形成和演化过程的“开关”控制作用，首次直接完整的观测证实了Dungey磁层大尺度对流循环，获取了太阳风-磁层耦合特征时间等关键参数; c) 揭示了暴时等离子体增强或舌状电离区是等离子体云块的源区，而高纬等离子体槽区的相应过程在等离子体云块形成的“切割”过程中扮演着重要角色；d) 理清了极区电离层各不均匀体相互关系的物理图像，为极区电离层建模提供了科学依据。另外，我们还发现快速运动的极盖区等离子体云块是氧离子上行的重要源区，电离层等离子体云块等不均匀体引起了明显的电离层闪烁现象，直接影响通讯、导航、超视距雷达探测等。我们的研究结果有助于深入理解太阳风-磁层-电离层耦合过程，能为极区电离层建模和近地空间环境和空间天气变化的预测和预报提供物理依据，并十分有助于提高极区通讯、导航精度。