地球磁尾场向电流与夜侧极光活动的关系研究

This project will use data from Cluster, Polar and Image satellites, by means of statistics, modeling and theory analysis, distinguish between north and south hemisphere, to study on the FAC variation and disturbance features (density, polarity, and the projections in the auroral region) in the magenetotail, its relationships with auroral activities, and the processes of the concerned charged particles; to study onthe relationship between the auroral photometric quantity and distribution in the nightside and the FAC disturbance in the magnetotail with different geomagnetic activities, and the relations between the particles (ion and electron)changes (density and velocity) in the magnetotail and the auroral activities; to study on the modulation effect of interplanetary magnetic field(IMF) and solar wind conditions on FACs, and then understand the FAC disturbance in the magnetotail influence on the auroral activities; to study on the relations between the different FAC carriers and the auroral activities (auroral photometic quantity and locations), the physical mechanism of theauroral generation andevolution in the nightside will be studied at the same time.The results in this project could be important to further studying on the Sun-Earth space weather chain, and also important to the space weather forecasting models.

本项目拟利用Cluster、Image和Polar卫星的探测数据，采用数据分析、理论分析和模拟计算相结合的方法，区分南北半球，研究磁暴、亚暴期间磁尾场向电流扰动变化的特性（密度、极性和在极区的投影分布）及其与夜侧极光活动的对应关系，并研究相应的带电粒子的动力学特性（密度、速度和通量等）；研究不同地磁活动条件下夜侧极光亮度和分布随磁尾场向电流的密度变化的关系，研究磁尾带电粒子（电子和离子）的密度和运动速度与场向电流和极光扰动变化的关系；研究不同行星际/太阳风条件变化对磁尾场向电流扰动变化的影响作用，进而了解磁尾场向电流扰动变化对夜侧极光扰动变化的影响作用；研究夜侧极光活动（极光亮度和位置变化）与磁尾场向电流以及不同成分的载流粒子扰动变化关系，了解夜侧极光活动形成的动力学过程和和物理机制。这些研究对于研究日地空间天气因果链关系具有重要的科学意义，对于空间天气预报模型建立也具有重要的应用价值。

通过低高度卫星和地基雷达的探测，人们已经认识到无论是在日侧还是在夜侧，电离层高度的场向电流与极光活动都有着密切的关系。研究表明极光沉降电子可追溯到磁尾，通常认为磁尾的场向电流与极区电离层的场向电流是相连的。所以，要真正了解夜侧场向电流与极光活动的关系，不仅要研究电离层的场向电流，更要寻根溯源，研究内磁层乃至磁尾的场向电流及其带电粒子运动规律与极光活动变化之间的关系。. 本项目主要利用Image和Polar卫星的紫外/极紫外图像数据，提取得到极光亮度和面积等主要参数，再根据Cluster四颗卫星的多点探测计算磁尾的场向电流，通过事件与统计分析相结合的方法，研究给出了（1）磁尾场向电流在南北极区的投影位置分布；（2）磁暴、亚暴期间南北半球磁尾场向电流扰动变化的特性，包括场向电流密度、极性（流向）以及在极区电离层中的投影分布，并给出了场向电流与夜侧极光活动的对应关系；（3）太阳风条件变化对磁尾场向电流扰动变化的影响作用，进而探讨了其对夜侧极光扰动变化的影响作用；（4）极区场向电子分布特性及上行离子对场向电流的贡献作用；（5）通过机器学习的方法，初步探讨了不同太阳风/行星际磁场条件对磁尾场向电流特征重要性的影响。. 以上这些研究对于我们正确认识磁层-电离层耦合过程中带电粒子的动力学特性以及极光的产生、发展和消散的物理过程都有着重要的科学意义。同时本研究首次定量给出了磁尾场向电流密度变化与极光强度及点亮面积的对比结果，如果能进一步找到它们之间的相关关系，就可以通过极光变化来推演磁尾场向电流密度的变化（因为磁尾极其缺少就位探测数据），这对于空间天气预报模型的完善以及极光模型的改进都是非常重要和必要的。