磁层亚暴多时空尺度物理过程研究

磁层亚暴是太阳风－磁层－电离层体系能量传输与释放的主要过程，是日地空间物理最具有挑战性的前沿课题之一。亚暴以及磁暴期间能量粒子注入也随着空间天气研究的日益兴起越来越受到国际的关注。本项目以分析 Cluster II－地球空间双星探测数据为基础，结合分析Themis卫星，国际日地物理计划(ISTP)其他卫星观测资料，进行理论、数值模拟和建模研究，探索亚暴与磁暴期间磁层场和带电粒子多时空尺度作用及地球空间多层次（磁层边界区，远、中、近磁尾，内磁层与极区电离层）的能量耦合与释放过程和带电粒子的增能与输运过程，揭示磁层亚暴的触发机理和磁暴环电流的形成机制，发展符合实际的亚暴与磁暴的物理模型，提供预报亚暴与磁暴的物理基础。项目的实施将提高我国日地空间物理的研究水平，并对推进我国空间天气研究的进展起重要作用。

磁层亚暴是地球空间最重要的能量耦合过程，平均每天发生4次，每次从太阳风输入相当于一个5-6级地震的能量，几十年来亚暴爆发机制一直是日地物理学的前沿核心课题。目前亚暴的物理模型主要分为近地中性线类的中磁尾触发型和近地电流中断类的近磁尾触发型模型。前者以改进的近地中性线模型为代表，强调中磁尾的磁重联是亚暴触发的机制；后者以近地电流中断模型为代表，强调亚暴触发的关键机制在近磁尾。为了检验不同模型在亚暴过程预言中的有效性，我们结合亚暴期间高速流和重联的观测深入研究亚暴相关现象之间的时序及可能联系。论文主要内容如下：.我们研究了两个典型亚暴（2004年9月14日事件和2008年1月9日事件）期间的极光结构特点及其发展过程。在这两个事件中，IMAGE观测到极光流结构在亚暴膨胀相触发前都出现在极光极向边界附近并向低纬延伸，而在亚暴膨胀相触发后极光流结构则从低纬向高纬扩展。在2004年事件中，Cluster在增长相末期首先在近地磁尾观测到400km/s的地向高速流，其磁力线足点就位于极光流中间。这表明极光流与磁尾高速流具有密切的联系。为了进一步研究这些极光流结构及磁尾高速流在来源，我们比较了极光极向边界（APB）和极区开闭磁力线边界（OCB）的位置关系。OCB由DMSP及FAST卫星的沉降观测来确定。在2004年事件中，当极盖区开磁通Psi在膨胀相期间开始下降，表明尾瓣重联开始进行之后，OCB和APB重合在一起，而在此之前到增长相末期，两者有明显分离。.我们利用THEMIS卫星对磁尾亚暴膨胀相期间的磁场和粒子的多点观测，证实了近地重联线的后撤过程，并首次提出了后撤机制。在这个重联事件中，THEMIS的5颗卫星沿着日地连线方向排列在-10RE的近地磁尾到-23RE的中磁尾。与近地重联产生的霍尔电流相应的电子速度各向异性分布现象在不同的卫星处被同时观测到。这些各向异性的电子是沿着重联分型线出流的，因此我们可以推算出重联线的位置，并基于不同时间点的不同卫星观测来判断重联线何时开始后撤以及后撤的速度。与此同时，我们将极盖区磁通的数据与磁尾卫星观测数据进行比较，发现重联线开始后撤的时间与极盖区开放磁力线磁通开始迅速下降的时间完全吻合。据此，我们提出了重联线后撤的压强不平衡理论，并利用THEMIS磁尾多卫星观测估算了磁尾不同位置的压强差异。估算的压强梯度符合理论预期。