高纬磁场重联及其在太阳风向磁层传输中的作用

磁层顶边界层是太阳风与磁层相互作用并向磁层传输物质和能量的重要区域。其中高纬磁重联在这种传输中扮演着重要角色，同时也是冷且稠密的等离子体片（cold dense plasma sheet, CDPS）的一种可能的成因。近年来，国内外对地球磁层的卫星探测活动频繁，提供了大量的观测数据。本项目旨在利用国内外多颗卫星在高纬磁层顶区域的联合观测，开展如下研究工作：（1）高纬区域磁场重联等导致太阳风向磁层传输的物理过程及其传输效率、（2）高纬边界层内部结构、（3）冷且稠密的等离子体片形成机制等，为揭示太阳风驱动的地球空间灾害天气过程的物理机制提供更进一步的理论分析和科学认识，为进一步深入研究太阳风驱动的磁层全球动力学过程打下基础。

与所在研究组其他人员协作，参与发展了基于多点卫星观测数据的空间梯度计算的新方法，该方法采用了新的思路，推导和计算了仅有3颗卫星数据的情况下计算空间梯度的一个分量，并自主编写了计算程序，应用于一些磁层顶物理过程的多卫星观测分析，比如向阳面磁层顶的电流分布、侧翼磁层顶K-H涡旋等的观测分析，还可以用于即将发射的MMS四颗卫星在更小间距上的观测分析。.在行星际磁场Bz分量约等于0的条件下，双星TC-1在磁地方时约为8：00的向阳面晨侧磁层顶位置观测到一连串等离子体高速流，速度可达500km/s，明显超出了磁鞘太阳风的背景速度，卫星在此条件下多次穿越了磁层顶， Wallen test结果表明磁层顶为旋转间断面，并且说明高速流来自于磁场重联引起的粒子加速效应，Wallen test的负斜率则说明磁场重联发生在卫星的北侧。在考虑离子的压力各项异性的条件下，计算了卫星穿越磁层顶附近区域的预测速度，结果与观测速度非常吻合。在这种行星际条件下，无论是反平行重联还是分量重联，TC-1卫星都距离重联发生的区域比较远，因此这个事件无法用来确切判断发生了反平行重联还是分量重联。但从卫星进入磁层顶边界层到穿越磁层顶进入磁鞘的近一个小时的时间里，高速流持续地被卫星观测到，并受到磁层顶运动的调制。.分析了Themis卫星在昏侧磁层顶的观测数据，在IMF南向条件下，三颗卫星清楚的观测到周期性的磁层顶穿越，并伴随磁层顶外侧速度剪切和磁层顶内侧的日向回流，观测到的速度场具有明显的旋转特征，但没有磁场重联引起的高速流，电场具有同周期的起伏，利用空间梯度计算方法得到垂直于卫星三点平面的涡度具有9个明显的峰值，表明这种周期性的磁层顶穿越是由速度剪切引起的K-H涡旋结构；通过分析三颗卫星观测到涡旋结构的时序关系，计算得到这种涡旋结构的尾向传播速度为330km/s，涡旋间距约14Re；通过计算对比，所观测到的电场在大尺度上来自于对流电场，但在涡旋边界上观测到了由于磁场受到压缩而引起的环形感应电场，感应场约为5-8mV/m。这种感应电场可能是诱发可能的重联或者引起其他穿过磁层顶的传输过程的一个因素。