地球磁尾超低频波(ULF wave)动力学过程研究

Ultra Low Frequency (ULF) wave in Pc5 range is believed to play an important role in magnetotail dynamics. It is one of the most important forms of energy transmission from solar wind to and stores in the magnetosphere. It is also a kind of link in the ionosphere-magnetosphere coupling process. Its characteristics, causes and effects have been extensively studied for several decades by ground-based, ionospheric, and space instruments. However, the Pc5 ULF wave outside plasmapause in the nightside magnetosphere has been a lack of research due to the limited means of observation.In the present study, we will conduct joint observation of the ULF waves in the stretched magnetotail field lines based on data from Cluster，THEMIS，RBSP as well as more globally distributed ground magnetometer stations in detail. The driven source,in-situ observation evidence, scale of cavity/waveguide modes in the outer magnetotail region all will be stressed.We also pay attention to the relationship between the outer and inner magnetosphere for the ULF wave events. Moreover, based on the former study work on plasma flow vortices, case as well as statistic study will be conducted to explore the relationship between vortices and the FLRs. Then the physics nature of the plasmasheet flow vortices could be found. Finally, we will further study the structure and propagation properties of the compressional Pc5 waves (drift mirror instability modes) observed in the plasma sheet based on multi-spacecraft observation with novel analysis tool, Grad-Shfranov reconstruction method.

地球磁尾超低频(ULF)波是太阳风能量输入和贮存在磁层的一种重要方式，也是电离层磁层耦合的纽带之一，对磁尾动力学过程有重要影响。磁层ULF波的特征、起因和效应已受到地基、电离层和空基等观测手段的广泛研究。但是，夜侧等离子体层顶之外Pc5 ULF波的特性和激发机制因观测手段所限一直缺乏研究。本研究将充分利用Cluster、THEMIS、RBSP卫星以及地磁台站数据在大范围联合观测研究夜侧拉伸磁力线上Pc5 ULF波现象及其与内磁层波动的关系。论证波动的激发源，判断空腔/波导的存在性和尺度问题。此外，本研究将结合以往对等离子体片涡旋流所做的工作，从磁流波的角度进一步分析涡旋流与磁力线共振(FLRs)的关系，以期揭示涡旋流的激发机制和演化过程。最后，计划利用新的分析手段，包括GS重构方法对多卫星同时观测的Pc5压缩波的二维结构和传播特性做进一步分析。

本项目拟针对当前人们对地球磁层拉伸磁力线上超低频波观测较少，机制不清，对磁层涡旋产生的机制、与大尺度阿尔芬波的关系认识不足而展开研究。预计明确外磁层空腔/波导模的存在性，频率与磁层空腔尺度的联系和磁尾超低频波的统计特性等。另一方面是要理清磁层的大尺度涡旋的产生和演化过程。.通过项目的开展，上述第二条目标已基本实现。太阳风动压的突然增长会在电离层激发瞬时传输对流涡旋(TCV),TCV电流伴随地磁水平分量快而尖锐的初始脉冲(PI)和持续时间稍长的主要脉冲(MI)。我们利用全球76个地磁台站的数据、位于外磁层的三颗THEMIS卫星和午夜后两颗同步轨道GOES卫星的数据，研究了地面PI/MI事件期间磁层发生的现象。结合全球数值模拟，我们发现PI电离层涡旋对应于磁层观测到的尾向传播脉冲信号(SI), 而MI电离层涡旋映射到磁赤道面附近的大尺度涡旋(径向尺度达3RE)上。分析表明，激发地面PI信号需要的场向电流一部分由磁赤道波模转化供给，而大部分可能来自日侧高纬磁层的某个区域；激发地面MI信号需要的场向电流由磁层赤道面涡旋提供。这一工作验证了早期的理论图像，对揭示太阳风动压脉冲引起的磁层-电离层瞬时电流系统有一定意义。相关工作已于2016年11月发表在JGR space physics上。.本人指导研究生利用THEMIS八年的数据系统研究了磁尾超低频波的特性，指出无论环型还是极型波的在12个地球半径之外，主要都不是驻波(驻波不足10%)，相关工作已在国内外会议上做了张贴报告。团队成员还通过个例研究，报道了太阳风动压降低引发磁层膨胀继而使波导模频率降低的事实，上述工作处在待投稿和已接受(JGR,2017.01)状态。此外，在该项目资助下，我们利用Cluster卫星数据，建立了-19 RE<X<-10RE区域内磁尾等离子体片厚度在晨昏方向的分布图。还使用THEMIS B和 C两颗卫星在2011.01-2012.03的观测数据，统计分析了月球轨道附近磁尾磁通绳事件，推断出最可能的重联点位置。相关工作都已发表在2篇SCI论文上。