小尺度极光结构的多尺度并行观测与研究

小尺度极光结构的研究对认识极光粒子加速机制、利用极光成像观测反演空间物理过程、研究空间物理过程的跨尺度耦合等都具有重要意义，是目前极光研究的一个新热点。项目申请组及时抓住最新CCD技术发展为极光研究带来的新契机，针对小尺度极光结构的研究集成设计了一套具有创新性的极光成像观测系统。该系统可在高时空分辨率观测模式下实现对同一极光结构的多尺度并行观测，并具有灵活多样的实验功能。本项目拟充分利用该观测系统的先进性，通过设计合理的观测模式，同时结合南极中山站多手段空间物理要素观测，集中针对极光细弧、极光射线、黑色极光三类小尺度极光结构展开深入研究。将总结各类小尺度极光结构的时空演变特征、确定其与中/大尺度极光结构及空间物理过程之间的相互关系；将综合应用多种图像处理和模式识别技术尝试对其进行更为细致的分类；结合理论分析，探讨其可能的产生机制，开创我国极光物理研究的一个新的生长点。

在南极中山站建成由四台适合用于不同尺度极光观测的成像仪组成的全新极光观测系统，该系统到目前为止仍可被称为是国际先进的地面小尺度极光成像观测实验平台,有助于我们对小尺度极光的形成机制的研究。.对小尺度极光结构的理论研究显示， Alfven谐振器很可能是特定小尺度极光结构的形成机制:.a) 在磁层中剪切波在竖直方向有明显的谐振结构；地面观测到的信号在IAR 谐振频率出现极大值，其谐振频率随磁倾角的增大而增大；电离层电导率的变化可以改变IAR 的谐振频率，并能改变波的透射，从而影响地面地磁信号的频谱．.b)倾斜磁场可以有效改变IAR 的参数（谐振频率与增长率），进而改变IAR反馈不稳定性的性能，磁场方向向上时，在电离层电导率较大且不考虑Hall电导率的情况下，磁场倾斜角的减小有利于电离层不稳定性的形成，电离层Hall电导率可以增大IAR 反馈不稳定性的增长率，且对于较大的倾角增长率提升较大．.对于由激波或行星际间断面导致的地磁急始（SC/SI） 事件，Araki [1994]模型可以完美解释其全球地磁变化。在日侧磁赤道附近观测到的SC/SI事件一般表现为H 分量的先减小后增加， 也就是在一个初始负脉冲PRI后跟着一个主脉冲。我们利用全球地磁观测对一个特殊的SI事件进行了详细研究。这个事件的特殊性在于它在日侧磁赤道台站的观测有别于普通的SI事件，它在PRI之前大约一分钟左右首先出现了一个先行扰动。经确认，这个先行扰动在日侧磁赤道和南极地区同时出现，但它却完全没有出现在北极地区，也就是说这个先行扰动表现出明显的南北极观测的不对称性。同时，我们发现该事件PRI之后的全球地磁变化符合Araki模型。结合太阳风条件，我们认为在日侧磁赤道观测到的先行扰动是由发生在南半球的高纬重联所致，并且主张这是首次在日侧磁赤道地区清晰观测到高纬磁重联效应。