地球等离子体层粒子密度分布模型研究

The Earth’s plasmasphere is the torus region of cold plasma with all particles originated from the outflow of the ionosphere and trapped by the geomagnetic field lines. The density of the plasmasphere decreases exponentially with geocentric distance with the electron density generally lower than the ionosphere by 2-3 order of magnitudes. The plasmasphere plays a key role in the ionosphere-magnetosphere coupling and the GPS TEC measurements. Study of the density distribution of the plasmasphere is very important for investigation of the ionosphere-magnetosphere coupling. The project will collect plasmaspheric observation data from large amount of satellite to establish a plasmaspheric electron density database. Then the dependences of the plasmaspheric electron density distributions on geomagnetic indices and solar wind parameters and the diurnal, seasonal, and solar cycle variations of the plasmaspheric electron density will be statistically studied. Based on the statistics, an empirical plasmaspheric density model driven by both solar wind and geomagnetic indices will be constructed. Researches in this project will help us understand the variation process of the plasmasphere and will provide us important basis for studying the ionosphere-magnetosphere coupling.

地球等离子体层是由上行电离层粒子被捕获在地球磁力线上，形成的圆环状冷等离子体区域。等离子体层密度随地心距离的增加而指数减小，其电子密度一般比电离层电子密度低2~3个数量级。但等离子体层在电离层-磁层耦合、GPS TEC测量中均有重要贡献。研究等离子体层粒子密度分布对研究电离层-磁层耦合具有重要意义。本项目将收集大量卫星的等离子体层观测数据，建立地球等离子体层电子密度分布数据库。对等离子体层电子密度与地磁指数、太阳风参数之间的关系进行统计分析，对等离子体层电子密度的日变化、季节变化和太阳周期变化进行统计分析，在此基础上，建立一个太阳风和地磁指数共同驱动的地球等离子体层电子密度分布模型。该项目的实施将有助于理解等离子体层密度变化过程，为电离层-磁层耦合研究提供重要基础。

电离层-等离子体层耦合是空间物理学研究中的重点。到目前为止，人们对这一耦合过程的物理机制，形态及其随太阳和地球物理条件的变化还缺乏足够详细的了解。本项目将利用分布在不同高度的电离层和等离子体层探测卫星对电离层和等离子体层离子密度、离子漂移速度等探测数据，研究不同地磁活动条件下，等离子体层和电离层之间的物质输运特性，解决等离子体层-电离层耦合中的一些关键问题，如低密度的等离子体通量管如何与高密度的电离层相连接？磁暴期间刻蚀的等离子体流向何处？磁暴恢复相期间电离层外流对等离子体层重填的贡献等。本项目完成了等离子体层密度探测数据的收集整理，建立等离子体层密度数据库；不同地磁活动条件下等离子体层密度的变化规律，发现等离子体层顶密度波动特征和表面波证据。建立三维动态等离子体层电子密度分布模型。通过以上研究发现电离层-等离子体层物质输运在不同地磁活动条件下的二维分布特征和高度分布特征，获得电离层-等离子体层物质输运对彼此的动力学行为的影响机制，揭示中低纬电离层-等离子体层物质输运耦合特征，进而理解等离子体层-电离层耦合动力学过程，为建立等离子体层-电离层耦合动力学模式奠定重要基础。