极区空间场向带电粒子动力学过程研究

The field-aligned charged particles (ions and electrons) over the polar region play an important role in ionosphere - magnetosphere coupling. In this project, combining the data from Cluster and other satellites, as well as the ground-based observations, using the methods of data analysis and theoretic study, we will study on the transportation and spatial- temporal distribution of the up-flowing field-aligned particles from the polar ionosphere, study on the transportation and spatial-temporal distribution of the down-flowing field-aligned particles from solar wind and magnetosphere, study on the dynamics of field-aligned particles over the polar region and relationship between the field-aligned currents and particles, study on the formation and development of the field-aligned particles and their response to solar wind, IMF conditions and geomagnetic activities to understand their physical mechanism. The innovation of this project is using the multi-point observation to study on the transportation, distribution and spatial-temporal scales of field-aligned particles over the polar region, study on the up-flowing electron which is a new phenomenon observed by satellites, combining the data from satellites with the data from ground-based observation to study on the characteristics of field-aligned particles over the polar region. The studies in this project have significant role not only for the understanding of transportation and acceleration in space plasmas and the ionosphere-magnetosphere coupling process, but also have great significance in the study on the correlation chain of space weather in sun-earth system, and for the establishment of the space weather forecast model.

极区空间的场向带电粒子（离子和电子）在电离层-磁层耦合中起着非常重要的作用。本项目拟结合Cluster卫星的多点探测和其他卫星以及地基探测数据，把数据分析与理论分析相结合，研究极区电离层上行场向粒子的时空分布和传输特性；研究来自太阳风及地球磁层的下行场向粒子的时空分布和传输特性；研究极区场向粒子的动力学过程及其对场向电流的影响；研究极区空间场向粒子的形成、发展和变化及其对太阳风、行星际条件和地磁活动的响应；以了解其中的物理过程和机制。本项目的创新点在于利用Cluster多点卫星的探测数据,系统研究场向粒子分布与传输特性及时空尺度，研究卫星探测到的极区上行电子新现象，把卫星与地基探测数据结合起来研究场向粒子特性。本项目对于空间等离子体中的输运过程和加速机制、电离层-磁层耦合的整体过程研究，以及日地空间天气的因果链关系研究都具有重要的科学意义，对于空间天气预报模型的建立也具有重要的应用价值。

本项研究按计划完成了研究内容任务，取得了极区空间的场向带电粒子（离子和电子）分布和动力学过程及其在电离层-磁层耦合过程中的作用等方面的研究成果；把卫星（主要是Cluster）的多点探测以及地基探测数据相结合，数据分析与理论分析相结合，研究了极区空间电离层上行场向粒子的时空分布和传输特性；研究了来自太阳风及地球磁层沿磁力线的下行场向粒子的时空分布和传输特性；研究了极区场向粒子的动力学过程与场向电流的关系；研究了场向粒子的形成、发展和变化及其对太阳风、行星际条件和地磁活动的响应；并对其中的物理过程和机制进行了研究。其主要亮点成果有：（1）根据卫星的探测数据分析，发现了一次大磁暴期间极尖区前所未有的场向电子事件，其流量密度达3X109/(s·cm-2).持续时间长达30分钟，径向尺度达12000多公里，地方时方向尺度达800公里以上。（2）首次较完整的给岀了场向电子在高高度极区的分布，发现场向电子主要沿极光带呈双峰分布，主要峰围绕极尖区，另一峰在子夜前。（3）首次给出了极尖区场向电子的南北半球不对称性，即沿高度和沿不变量纬度分布，上行和下行都具有南北不对称性。（4）打破了以前研究者的认识局限，认为不仅场向电子是场向电流的主要载流粒子，而且离子的载流作用有时也是不可忽略的。本项研究所取得成果的创新点在于：利用多点卫星探测,系统研究了场向粒子分布与传输特性及时空尺度，对卫星探测到的上行电子新概念和新现象进行了研究。这对于研究空间等离子体中的输运过程和加速机制、电离层-磁层耦合的整体过程和日地空间天气的因果链关系具有重要的科学意义，也对于空间天气预报模型的建立具有重要的参考价值。