向阳面磁层顶磁通量传输事件三维结构和特性的多卫星观测研究

Flux transfer events (FTEs) at the magnetopause play an important role in solar wind-magnetosphere coupling. It is widely accepted that they are a result of magnetic reconnection near the subsolar magnetopause. Despite many years of study, a number of fundamental questions still remain unclear. Of particular interest are the generation mechanism and three-dimensional (3D) structures of FTEs. A few well-known models have existed for more than 30 years. Nevertheless, we still do not know which model best represents reality. This is mainly due to the fact that generation of FTEs is 3D in nature, whereas the 3D features of FTEs can only be revealed through multiple spacecraft measurement. This project aims to promote the study of FTEs a step further based on Cluster measurements at the subsolar magnetopause in the spring season of 2007-2008 and 2013-2014, together with conjunctive measurements by THEMIS, with focus on multi-spacecraft detections of 3D structures and features of in vivo FTEs. We are also going to examine the differences under solar maximum in 2013-2014 and contrast to already obtained data during solar minimum (2007-2008), when Cluster sampled the same region. The project has been selected as a part of ESA "Cluster 2013-2014 Guest Investigator Programme", and will get data and technique supports from ESA Science and Technology. The project also belongs to the Advanced Program of Magnetic reconnection in Solar-Terrestrial System for Space Weather Research in China.

磁层顶磁通量传输事件(FTEs)提供太阳风向磁层传输能量和等离子体的通道，在行星际磁场有南向分量时，每8-11 分钟发生一次，在太阳风-磁层耦合中起着重要作用。FTEs 是磁层顶的磁重联现象，经过30多年的研究，人们对FTEs 的形成机制、结构和输运效应仍然很不清楚。这是因为FTEs及相关的磁重联是三维过程；而对FTEs的三维观测研究最近才刚开始。本项目基于 Cluster 和THEMIS星座在太阳活动低年(2007-2008) 和高年(2013-2014)在向阳面磁层顶低纬区的多卫星联合探测数据，对FTEs (特别是"新生"FTEs) 的三维结构和特性进行观测研究，以期在FTEs 的形成、形态和空间天气效应等方面，取得创新性的进展。本项目是我国"日地空间磁重联"亮点项目群组成部分，相关内容已于2011年被欧空局选入Cluster 2013-2014 客座研究计划，可望获得相应的技术支持。

磁层磁重联是地球空间暴的驱动源，是空间物理学最重要一个基础研究领域。60多年来其研究基本上局限于二维近似。本项目以磁层重联三维特性的观测研究为科学目标，研究内容聚焦于“磁层顶通量传输事件(FTEs) 的三维结构、磁场拓扑形态”和“X-线磁重联扩散区和小尺度通量绳结构”的探测研究。四年来取得下列主要成果：..一、通过多卫星数据分析，发现位于磁层顶电流片区域内的FTE磁绳，局地轴向基本沿着重联线的方向；位于磁层一侧的局地轴向大致沿着磁层磁场方向。这是对FTE 磁绳跨越磁层顶的三维大尺度的首次观测，大体验证并改进了FTE磁绳的三维理论图像。.二、迄今所有的理论模型都认为FTEs是开放的磁通量绳，在Bn +/- 型 (-/+型) 的FTEs 中，磁力线由磁鞘(磁层)指向磁层(磁鞘)。通过多卫星观测的个例分析和统计研究，本项目组首次确认了磁层顶FTEs 普遍存在复杂的磁场拓扑结构，在Bn +/- 型 (-/+型)的 FTEs 中，除了有磁鞘(磁层)指向磁层(磁鞘)的开放磁力线外，还存在闭合磁力线和极性相反的开放磁力线。复杂的磁场拓扑形态是磁层顶FTEs三维结构的一个本质性特征，在此观测基础上本项目组提出了一个全新的FTE磁绳的三维图像。.三、提出了磁层顶FTEs 复杂的磁场拓扑形态形成的多次磁重联机制，该机制不仅能解释FTEs 复杂的磁场拓扑的起源，而且提供了一个极具吸引力的FTEs形成的新模型。.四、基于多卫星观测和磁场重构，首次揭示了X-线重联区的三维结构，发现反平行重联和分量重联两类磁重联形态都存在一对通过分型线相连接的A-B型磁零点，由此证实二维反平行重联和分量重联都是分型线重联的局地近似和表现，而分型线重联则是X-线重联的三维普遍形态。.五、首次通过多卫星观测与重构，论证了二维重联磁岛的三维图像是磁通量绳，提出了三种由S型零点连接形成通量绳的理论模型，并通过观测与重构加以验证。