磁尾磁偶极化锋面及其极光电集流效应研究

Understanding the formation and development of the auroral electrojet is crucial for studying substorms. Substorm current wedge is formed by the connection of the magnetospheric current system with auroral electrojet that is caused by both the ionospheric conductivity enhancement from the deposition of auroral particles and field-aligned currents. However, the physical mechanism by which the magnetospheric dynamics affect auroral electrojet is poorly understood. The dipolarization fronts in the magnetotail have a current system with similar polarity of substorm current wedge, however, how this current system contributes to the auroral electrojet is highly controversial. The simultaneous accurate observations of the magnetotail micro-mesoscale dynamics and auroral electrojet provided by recent magnetospheric probes such as MMS and Cluster and the low-altitude satellite Swarm, give us an unprecedented opportunity to approach this question. The project plans to use the observations from MMS, Cluster and Swarm to study: (1) the fine structure of field-aligned currents and their formation mechanisms; (2) the relationship between the field-aligned currents near the magnetotail dipolarization fronts and the auroral electrojet and magnetotail current system’s contribution to the auroral electrojet; (3) the effects of the dipolarization front currents on the auroral electrojet and substorm current wedge under different levels of geomagnetic activity. With the numerical study of the global magnetosphere model and local particle model, we will be able to provide more profound understanding how the magnetotail dynamics affect the formation and evolution of the auroral electrojet.

地球电离层中极光电集流的形成和演化是亚暴研究的核心问题。极光电集流主要由极光粒子沉降导致的电导率增大和场向电流共同造成，与磁层电流体系形成亚暴电流楔。但磁层动力学过程影响极光电集流的物理机制仍不清楚。磁尾磁偶极化锋面在传播过程中形成与亚暴电流楔相似的电流体系，而这一电流体系对极光电集流的贡献具有较大的争议。近期MMS、Cluster等磁层卫星结合近地Swarm卫星可以实现对磁尾中小尺度动力学过程和极光电集流的联合同步观测，为解决这一问题提供了良好的机会。本项目拟利用MMS、Cluster、Swarm等卫星，研究（1）磁尾磁偶极化锋面电流体系的精细结构和形成机制；（2）磁尾磁偶极化锋面场向电流与极光电集流的对应关系及其对极光电集流的贡献；（3）不同地磁活动下磁偶极化锋面电流对极光电集流及亚暴电流楔的影响。结合数值模拟研究，我们可较为深入地了解磁尾动力学过程影响极光电集流形成和演化的物理机制。

地球磁层内部及与太阳风的能量和物质的交换及传输一直是日地空间物理学中的一个基本问题，也是空间天气研究和预报的一个关键科学问题。太阳风能量往往被输运到地球磁尾，在地球磁尾会引发多尺度的地球磁尾动力学过程，如磁暴、磁层亚暴、爆发式整体流、磁偶极化锋面等。伴随着爆发式整体流和磁偶极化锋面等中小尺度的动力学过程，磁尾可以在短时间内向近地空间输运大量的磁能。然而这种耦合过程的传输方式和物理机制尚不清楚。利用MMS和Swarm卫星计划的观测资料，本项目对磁偶极化锋面电流体系和磁偶极化锋面前磁层波动与电离层场向电流的耦合进行了系统研究，主要研究成果如下：.1.磁偶极化锋面电流体系.利用MMS卫星计划数据筛选出57例远离中性片的磁偶极化锋面事件和307例靠近中性片的磁偶极化锋面事件。分类统计发现：在front（dip）区，存在一（二）区感应场向电流，偶极化锋面高纬度区域的场向（垂直）电流密度强度要远强于偶极化锋面的中心区域的场向（垂直）电流，表明在front区的场向电流是高度结构化的，并且能够连接到电离层，而偶极化锋面dip区的场向电流可能难以与电离层相连。结果说明亚暴电流楔中的一区场向电流可能是由多个小尺度的偶极化锋面组成。.2. 研究了磁偶极化锋面前磁层波动与电离层场向电流的耦合。.利用MMS和Swarm卫星观测，第一次报道了磁尾磁偶极化锋面和电离层场向电流的共轭观测。MMS卫星观测到在等离子体片中的偶极化锋面事件前约5分钟出现了大振幅的Pi2波段超低频波动，其中场向电流极性发生了数次反转，产生了沿着磁力线的地向平行坡印亭能通量。同时Swarm A和C卫星在MMS卫星的磁力线足点附近也观测到镶嵌在大尺度场向电流片上的扰动的小尺度场向电流，具有动力学阿尔芬波相关的小尺度快速时变的丝状结构。研究表明，磁尾偶极化锋面和爆发式整体流的制动产生有显著剪切分量的Pi2频段波，沿着磁力线传播到电离层，在磁层高纬度区域转化为动力学阿尔芬波，从而促使小尺度场向电流的形成。.